了解太空中目標(biāo)天體的精確位置有多難？

在20世紀(jì)60年代的早期太空競(jìng)賽中，如果是以宇宙飛船導(dǎo)航所需的精確度而論，美國(guó)和蘇聯(lián)的科學(xué)家實(shí)際都不清楚火星、金星等行星的具體位置。這聽起來有點(diǎn)可笑。當(dāng)然，當(dāng)宇宙飛船到達(dá)這些行星附近時(shí)，他們還是能大致知道目標(biāo)會(huì)在哪里。但是，這里的“大致”可能意味著1萬或10萬公里的偏移量。行星的位置，即它們的星歷表，依賴于以極高精度對(duì)其軌道隨時(shí)間推移的變化情況進(jìn)行校準(zhǔn)。但唯一合理的方法是直接測(cè)量，就像古代的水手需要沿著島嶼或海岸線航行，以便確定緯度和經(jīng)度一樣。

關(guān)于這個(gè)問題，一個(gè)很不體面的例子發(fā)生在1961年初。從蘇聯(lián)發(fā)射金星1號(hào)（Venera 1）探測(cè)器開始，人類向金星發(fā)射探測(cè)器的計(jì)劃便拉開了序幕。蘇聯(lián)和美國(guó)科學(xué)家都希望能最早確定金星的位置，并以此來精確計(jì)算天文單位——當(dāng)時(shí)被定義為地球中心與太陽中心之間的平均距離。在地球上，可以通過測(cè)量從金星上反射的雷達(dá)信號(hào)來確定距離。幾個(gè)月后，蘇聯(lián)人自豪地宣布了基于金星的天文單位測(cè)量改進(jìn)方法，但美國(guó)人很快發(fā)現(xiàn)，這與他們自己的雷達(dá)測(cè)量結(jié)果相差約10萬公里。美國(guó)人興高采烈地嘲笑蘇聯(lián)人，說他們可能發(fā)現(xiàn)了一顆新的行星。

回想起來，這臺(tái)蘇聯(lián)探測(cè)器——原本計(jì)劃在測(cè)距結(jié)果宣布的時(shí)候飛掠金星——之前已經(jīng)經(jīng)歷了一系列的挫折，包括失敗的熱控制和姿態(tài)控制失靈。盡管它可能確實(shí)經(jīng)過了金星附近的某個(gè)位置，但我們永遠(yuǎn)也無法確切知道它與該標(biāo)記位置的距離，因?yàn)樵谀且稽c(diǎn)上，地球與探測(cè)器的所有通訊都停止了。

錯(cuò)誤認(rèn)定金星的位置可能會(huì)帶來災(zāi)難性的后果。金星1號(hào)探測(cè)器可能因?yàn)槠x太多而無法獲得任何有用的數(shù)據(jù)，它也可能直接撞向行星，造成不光彩的墜毀。可以想見，在這些慘痛的教訓(xùn)之后，科學(xué)家們會(huì)多么努力地確定太陽系天體的位置，與之相關(guān)星歷表也編制得越來越厚，越來越精確。然而，即使有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，精確定位航天器及其行星目標(biāo)所面臨的基本問題仍未完全解決。在某種意義上，問題反而愈加尖銳。

如今，位于美國(guó)加利福尼亞州的美國(guó)航空航天局（NASA）噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室是星歷表的主要編制機(jī)構(gòu)之一，提供了精心編寫并不斷更新的數(shù)據(jù)，幫助我們確定行星、衛(wèi)星、彗星、流星群和小行星的位置。這就像農(nóng)民所用的年歷，只不過是用于行星探索。然而，隨著探索范圍越來越遠(yuǎn)，我們的目標(biāo)越來越新奇，我們所面臨的挑戰(zhàn)也越來越大。

已經(jīng)有機(jī)構(gòu)在草擬一項(xiàng)雄心勃勃的計(jì)劃，希望利用強(qiáng)大的激光，推動(dòng)帶有輕型帆的微型“納米飛船”（nanocraft），一路航行到南門二（半人馬座α）恒星系統(tǒng)。該系統(tǒng)距離地球超過4光年，如果以20%的光速（約每小時(shí)2.16億公里）前進(jìn)，需要花費(fèi)至少20年的時(shí)間。在正確的時(shí)間到達(dá)另一個(gè)恒星系統(tǒng)的正確位置，這個(gè)問題遠(yuǎn)比到達(dá)遙遠(yuǎn)的太陽系邊緣星球（如冥王星）復(fù)雜得多，雖然前往冥王星就已經(jīng)夠困難的了。

2006年，NASA的“新視野號(hào)”探測(cè)器以破紀(jì)錄的速度發(fā)射，在9年多的時(shí)間里飛到冥王星附近（在木星引力幫助下），飛行距離近50億公里。利用地球上的望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)，以及對(duì)冥王星的軌道運(yùn)動(dòng)進(jìn)行精細(xì)的計(jì)算機(jī)模擬，我們可以確定該探測(cè)器在天空中的位置，精確度可達(dá)約0.00014度角。然而，冥王星太過遙遠(yuǎn)，如此微小的不確定性也會(huì)導(dǎo)致約13000公里的位置誤差，足以嚴(yán)重阻礙近距離飛掠任務(wù)。更加復(fù)雜的是，新視野號(hào)在軌道上經(jīng)歷了難以預(yù)測(cè)的漂移，這是钚發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的不均勻熱輻射所導(dǎo)致的。

新視野號(hào)終于在2015年7月與冥王星相遇，這讓那些在發(fā)射之后等待了相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間的科學(xué)家們松了一口氣。它以12500公里的距離飛掠冥王星。最后，為了快速掠過冥王星及其衛(wèi)星，新視野號(hào)在接近正確路徑的任何地方都要進(jìn)行細(xì)致的位置測(cè)量，并使用探測(cè)器自帶的相機(jī)進(jìn)行航向修正。這一過程需要極大的耐心。

現(xiàn)在，讓我們來比較一下冥王星與距離太陽最近的恒星——比鄰星（Proxima）。比鄰星位于半人馬座，是半人馬座α三合星的第三顆星，以每秒約32.19公里的速度相對(duì)太陽運(yùn)動(dòng)。不過，每秒0.01公里的最小有效數(shù)字，意味著在為期20年、600多萬公里的任務(wù)中會(huì)累積相當(dāng)大的位置不確定性。這還是恒星，一個(gè)明亮的、比較容易研究的天體，而恒星系統(tǒng)中的行星亮度會(huì)下降10億倍，其位置也更加難以確定。與新視野號(hào)一樣，星際探測(cè)器很可能不得不隨時(shí)跟蹤自己的目標(biāo)，并且必須自主完成，因?yàn)榕c地球的來回通信就需要數(shù)年的時(shí)間。

至于微型航天器能否攜帶必要的計(jì)算工具，或者是否具備追蹤目標(biāo)所需的感知和操縱能力，還有待觀察。明亮的恒星本身可能就是最好的標(biāo)記，可以和太陽一起作為導(dǎo)航燈塔。從激光二極管發(fā)射的微弱脈沖可以提供調(diào)整方向的推力，但更關(guān)鍵的是，數(shù)百甚至數(shù)千臺(tái)具有人工智能的納米飛船在發(fā)射之后，每一臺(tái)都具有相互學(xué)習(xí)的能力，或許可以通過大規(guī)模冗余和犧牲多數(shù)來達(dá)到時(shí)間和空間目標(biāo)。然而，當(dāng)你試圖用一顆子彈去攔截另一顆飛來的子彈時(shí)——無論是恒星還是行星，差錯(cuò)可能是在所難免的。

不難發(fā)現(xiàn)，在數(shù)千或數(shù)百萬公里的范圍內(nèi)，位置的不確定性可能會(huì)給太空探險(xiǎn)者帶來麻煩。但奇怪的是，繞軌道運(yùn)行的恒星和行星具有一些基本的物理學(xué)屬性，這些屬性取決于非常小的位置不確定性，并且可以毫不含糊地決定整個(gè)系統(tǒng)的生存。究其根源，在于引力物體之間的動(dòng)力混亂現(xiàn)象，以及混亂但數(shù)學(xué)上可繪制的不穩(wěn)定性，還有天體運(yùn)動(dòng)的不可預(yù)測(cè)性。盡管科學(xué)家自19世紀(jì)80年代就發(fā)現(xiàn)了混沌現(xiàn)象，但直到20世紀(jì)80年代，研究人員才開發(fā)出專門用途的計(jì)算機(jī)，以精確模擬太陽系中行星受引力驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)。這些模擬揭示了我們生活在一個(gè)多么混亂的空間中。

結(jié)果表明，如果在數(shù)千萬年到數(shù)十億年的時(shí)間里追蹤太陽系內(nèi)物體的運(yùn)動(dòng)，諸如水星這樣的行星位置出現(xiàn)毫米級(jí)的變化，也會(huì)產(chǎn)生很大的影響：未來的軌道可能相對(duì)平淡無奇，但也可能使內(nèi)太陽系變得不穩(wěn)定，行星被甩向太陽，或者逃逸到星際空間的軌道上，甚至將兩顆行星置于相互碰撞的軌道上。

如此微小的變化會(huì)導(dǎo)致如此截然不同的結(jié)果，這讓許多希望世界具有某種可預(yù)測(cè)性的人無法接受。這就說到了人類作為一個(gè)物種，似乎一直在努力想要做到的一些事情。我們很希望所謂的現(xiàn)實(shí)是固定不變的，或者至少不是變幻莫測(cè)的。但現(xiàn)實(shí)很少如此。

在將航天器發(fā)射到其他行星，甚至其他恒星的過程中，我們別無選擇，只能承認(rèn)目前的這種不精確性?，F(xiàn)實(shí)就是如此殘酷，我們對(duì)外太空的了解太有限了。甚至自然定律都是基于全然不完美的測(cè)量得出的推論，無論是行星軌道和引力，還是代數(shù)的邏輯和符號(hào)處理——后者是通過人腦和人腦開發(fā)的機(jī)器來“測(cè)量”的。令人驚奇的是，這些定律能夠很好地模擬和預(yù)測(cè)物理世界的各個(gè)方面，幾千年來一直在幫助我們，并使我們感到安心。今天，我們似乎已經(jīng)設(shè)法扭轉(zhuǎn)了這個(gè)問題，可以預(yù)測(cè)自然中可能發(fā)生的各種混沌，從不穩(wěn)定的天氣條件到不穩(wěn)定的股票市場(chǎng)，當(dāng)然還有行星。

這就是為什么誠(chéng)實(shí)面對(duì)局限性是一件美好的事情，因?yàn)槲覀兡芤虼苏业娇缭娇臻g、時(shí)間并理解界限性的方法。20世紀(jì)60年代的火箭科學(xué)家們?cè)噲D掌握金星和其他行星的位置，他們甚至都沒有意識(shí)到，自己在某些方面已經(jīng)成為先驅(qū)。他們不僅是在穿越虛無的太空，試圖確定幾乎不可能定位的天體，更是在認(rèn)識(shí)現(xiàn)實(shí)本身的根本性質(zhì)。