三十年前，NASA的科學家注意到，他們的兩艘太空船——先驅者10號和先驅者11號——似乎受到了某種神秘力量的影響，略微偏離了預定軌道。 1998年，更廣泛的科學界發現了這種偏離——被稱為「先驅者異常」——並對其進行了持續不斷的、令人嘆為觀止的細緻研究，使其在物理學界獲得瞭如同「邪典」般的地位。然而，如今，在催生了近千篇學術論文、舉辦了無數國際會議，並成就了許多科學家的畢生事業之後，這個備受矚目的宇宙謎團或許即將走向終點。
位於加州帕薩迪納的噴射推進實驗室（JPL）科學家斯拉瓦·圖裡舍夫和加拿大軟體開發人員維克多·托特計劃在未來幾個月內發表他們對先驅者號異常現象進行的全新且極為全面的分析結果。他們的研究成果有望為現代天文物理學史上持續時間最長、最曲折離奇的謎團之一畫下句點。
美國太空總署於1972年春季發射了先驅者10號，一年後又發射了先驅者11號。這兩艘探測器的共同任務是收集有關小行星帶、木星、土星（先驅者11號還攜帶了土星）及其衛星的資訊。當它們飛掠這些天體時，探測器測量了先前未知的大氣層和表面特性；它們還首次近距離拍攝了木星大紅斑和土星環。在1970年代中期完成「飛掠」任務後，先驅者號繼續前進。它們攜帶著相同的銘牌，上面分別描繪著一男一女、氫的原子躍遷以及地球在銀河系中的位置——這是給外星人的信息——這些探測器成為首批飛出太陽系，進入難以想像的寒冷黑暗的星際空間的人造物體。
噴射推進實驗室（JPL）的科學家繼續利用多普勒效應追蹤先驅者號探測器深入深空。他們與兩艘先驅者號探測器之間持續進行無線電波收發，並記錄它們沿著軌道各處的速度。一位名叫約翰·安德森的天文學家領導了多普勒測距數據的分析工作。他和他的團隊計劃利用這些數據研究遠離太陽和大型行星的外太陽系中微妙的引力效應。例如，他們認為先驅者號探測器可能會隨著低頻重力波而振盪。
當然，為了探測太空船運動中的這些奇特現象，科學家首先需要確切地知道會發生什麼事；這需要建構一個極其複雜的演算法。預測的多普勒頻移的成因包括：先驅者號探測器在與太陽、行星、衛星、小行星帶和彗星雲的引力對抗時所經歷的減速，這些天體的位置及其引力場都在不斷變化；太陽輻射對太空船的微弱推力，隨著太空船逐漸遠離太陽而減弱，也會隨著太空船角度的變化而變化；隨著太空船距離的增加，無線電波反射到地球接收之間的延遲時間增加；太陽對無線電波的引力阻力；地球自轉造成的無線電傳輸的額外頻移……等等。安德森將這些令人頭痛的宇宙影響因素綜合到一個演算法中。但很遺憾，這似乎沒有奏效。
1980年，他注意到根據演算法預測的多普勒頻移與太空船實際測量的無線電訊號頻移之間存在細微差異。它們的預期運動和實際運動並不完全吻合。當太空船在逆著太陽和行星的引力向外運動時，速度自然會減慢。但問題在於，它們的速度變慢得太厲害了。每年，兩艘太空船的實際位置都比演算法預測的軌道位置晚了幾百英里。當然，在太空旅行的背景下，這不算什麼，但也絕不微不足道。這種持續的額外加速度相當於8.74 x 10⁻¹⁰ m/s²，方向指向太陽－雖然比引力加速度小一百億倍，但仍不容忽視。
安德森的第一個反應是，他的演算法肯定遺漏了什麼。某種對太空船運動影響甚微的因素，肯定沒有被納入數學計算。經過幾年的思考和討論，他和他的團隊最終得出結論：這種異常加速一定是「氣體逸出」造成的——推進器中的燃料滴落，在滴落過程中對太空船施加了反沖力。由於當時太空船已經脫離推進系統在星際空間中巡航，科學家認為燃料滴落很快就會停止，這種影響也會消失。但令人費解的是，事實並非如此：在接下來的十年裡，太空船累計飛行了數十億英里——但實際飛行里程卻比預期少了數千英里。
1994年，安德森突然收到一封來自新墨西哥州聖塔菲附近洛斯阿拉莫斯國家實驗室宇宙學家麥可‧馬丁‧涅託的電子郵件。涅托最近對牛頓引力平方反比定律的替代方案產生了興趣，其中包括一個名為MOND（修正牛頓動力學）的新理論。因此，他聯絡安德森，想了解NASA根據對太空船運動的觀測結果，對重力強度的確定程度如何。安德森回覆說，事實上，對於先驅者號探測器來說，重力似乎並不像他們所說的那樣發揮作用。
當涅托讀到拓荒者10號和11號探測器所經歷的微小異常加速度的精確數值時，他差點從椅子上摔下來。 （用典型的物理學術語來說：「我的辦公室是硬地板，我的電腦椅有輪子，所以當我驚呼一聲‘什麼？’，弓起背時，椅子就開始滾動了。」）一個意義深遠的宇宙正在發生：涅托立刻注意到，先驅者異常加速度的數值幾乎與所謂的「宇宙加速度」——就算成「巧合」就算成「異常值」
就在那時，涅托簽約加入噴射推進實驗室的安德森團隊，啟動了對先驅者號異常現象的重大調查，此後便將大部分精力投入到這項研究中。為什麼？他最近表示：“先驅者號異常現象可能是引力偏離平方反比規律的第一個證據。這可能意義重大。”
剛從莫斯科抵達噴射推進實驗室的斯拉瓦·圖裡舍夫很快就加入了安德森和涅託的團隊。他們與另外三人一起，對所有可用的先驅者號多普勒數據展開了詳細的調查。同時，他們也檢查了其他任務的數據，並初步發現了尤利西斯號和伽利略號軌道異常的證據。 [註：只有先驅者號、尤里西斯號和伽利略號是自由漂浮的。所有其他NASA太空船都採用三軸穩定：它們向三個方向施加氣體推力以保持軌道穩定，這些修正可以消除運動中的任何微小偏差。噴射推進實驗室的科學家認為，這四艘非三軸穩定太空船的軌道似乎都出現了偏差。 ] 1998年，他們在《物理評論快報》上發表了一篇引發軒然大波的文章，向全世界公佈了他們的發現。
隨後一片混亂。 「1998年是非常有趣的一年，因為就在我們公佈先驅者號異常現象的同時，暗能量也被發現了，」圖裡舍夫解釋。 「所以我們基本上意識到宇宙加速膨脹是因為暗能量，人們欣喜若狂，說：『看，我們在太陽系中發現了非常激動人心的東西，也許我們需要修改引力，所有這一切都會消失，愛因斯坦和牛頓的理論也會被推翻。』」
畢竟，天文運動中的微小異常現像先前也曾引發物理學的重大變革。 1915年，正是水星近日點的著名「異常」進動幫助證明了愛因斯坦的廣義相對論。 1998年，人們將先驅者號異常現象與這一歷史先例進行比較，無疑提升了其知名度，同時也提高了許多試圖解釋該現象的「局外人」理論的關注度。其中一個例子是前文提到的MOND理論，該理論認為，在遠離大質量天體的地方，引力並不遵循平方反比定律，而是遵循略有不同的規律。自1998年以來，數百篇物理學論文都斷言MOND理論為先驅者號異常現象提供了一個可行的解釋。
還有數百人假設，星系外圍瀰漫著大量尚未探測到的“暗物質”，這可能會對先驅者號太空船施加摩擦阻力，使其減速。
又有一大批物理學家注意到了涅托四年前就發現的巧合，當時他差點從椅子上摔下來。在暗能量和宇宙加速膨脹同時被發現的背景下，「先驅者號」異常值與宇宙加速膨脹的數值相等，這似乎意義非凡。科學家心想，或許美國太空總署多年來一直在測量宇宙空間的膨脹！
較保守的物理學家指出，如果暗物質或MOND效應導致了太空船的異常加速，那麼它們也應該影響最外層行星的運動，然而我們並未觀測到任何此類現象。他們認為，「先驅者號」的異常現像要麼根本不存在（即噴氣推進實驗室的科學家誤解了多普勒數據），要么只是由於設備故障造成的。他們認為最可能的罪魁禍首是太空船上的熱輻射。
熱異常？
先驅者號探測器內部的鈽發生器在其最大功率運作時，每秒釋放2500焦耳的熱能。其中一部分熱量轉化為電能，用於驅動儀器運作。其餘部分則直接輻射到太空中。如果因為某種機械原因導致熱量從發生器輻射不均勻，那麼向某一方向輻射的額外熱量就會產生不平衡的反沖力，使探測器加速。事實上，正如物理學界很快指出的那樣，即使向某一方向輻射的熱量比另一方向多5%，也會產生足以解釋先驅者號異常現象的反沖力。
注意到這一點後，噴射推進實驗室（JPL）團隊在接下來的幾年裡調查了所有與熱相關的證據。他們在2002年得出了結論：熱並非罪魁禍首。首先，他們指出，隨著發電機內部鈽的衰減，其散發的熱量也會減少，因此如果熱是造成異常加速度的原因，那麼太空船的異常加速度也應該隨時間推移而減少。但事實並非如此——它似乎保持不變。其次，發電機位於遠離太空船本體的長桿末端。他們計算得出，從如此遠的距離，只有極少量的熱量會照射到太空船上並產生反沖力——這個量級遠不足以造成觀測到的現象。第三和第四點是伽利略號和尤利西斯號提供的初步證據，這兩個探測器都採用了與先驅者號截然不同的動力系統。
他們的論點說服了大批物理學家，開始興致勃勃地爭奪愛因斯坦及其非相對論助手牛頓的理論寶座。在德國、瑞士、美國以及世界各地的會議上，他們站在講台上宣稱諸如此類的理論：這種異常現象實際上反映了宇宙時間本身的加速膨脹！這種異常現象表明，愛因斯坦時空理論所依據的黎曼幾何是不完整的！我們發現了一種新的力！太陽係正在膨脹！太陽係是一個全息圖！弦理論的維度正在牽引著太空船！自此以後，這種活躍的思想交鋒——或者如維克托·托特所描述的「天馬行空的推測」——就從未停止過。
回到地球
維克托·托特的愛好包括老式電腦遊戲、未解的數學和物理難題、數據處理、外太空以及老式電子設備。所有這些愛好都集中在一個共同的主題上，而「先驅者號」異常現象恰好位於這個主題的中心，因此托特最終身處其中也就不足為奇了。托特從一開始就持懷疑態度，他首先使用家用電腦對公開的「先驅者號」多普勒數據進行了獨立分析，以親自驗證是否存在異常現象。 （根據各方評價，托特的數據處理能力非常出色，而且他對其他人的數據處理能力似乎抱有禮貌的懷疑。「很多我該稱之為『作業』的事情都沒人做，」他說。）在構建了自己的天體影響算法，並據此處理數據，確認兩者之間確實存在差異之後，他開始著手探究其原因——同樣，他幾乎沒有參考以往的分析。
他尤其認為安德森及其團隊在2002年完成的研究遠遠不夠全面，這項研究排除了熱效應是造成異常現象的原因。 「意識到先驅者號探測器從未進行過真正、詳細的熱分析，這當然是促使我投入大量精力的原因，」他說。 “我的意思是，我們得做點什麼，你知道嗎？”
為了尋找更完整的資料集，托特開始與噴射推進實驗室的圖裡舍夫聯繫。他們一致認為，需要分析比先前分析的十年數據更長時間段的多普勒數據。 「先驅者號探測器在70年代是用穿孔卡記錄發射的，」圖裡舍夫解釋說，「後來他們用Fortran，再後來用C，現在我們用C++，所以我們需要把所有這些舊數據轉換成現代導航軟體可以讀取的格式。」除了多普勒數據，他們還決定分析來自探測器的遙測數據。圖裡舍夫將這些數據描述為“內部資訊”，這些資訊由覆蓋每個先驅者號表面的114個感測器收集，並透過無線電通訊傳回地球。最重要的是，遙測資料包含了每顆探測器在整個任務期間每個時刻各個位置的溫度資訊。
那是2005年。托特從渥太華的家中開車前往艾姆斯研究中心，與圖裡舍夫第一次見面。所有舊數據都存放在那裡。他們到達時，發現大樓入口外停放著幾個大型垃圾箱。三十多年來的「先驅者號」多普勒資料和相應的日誌都將在兩週內被丟棄。當時艾姆斯研究中心的經費捉襟見肘，根本無力進行任何存檔工作。 「當我們意識到情況如此糟糕時，我們又喊又叫，又跳又笑又歡呼，最終，艾姆斯研究中心獲得了一些剩餘的經費，讓他們能夠存檔所有資料和項目信息，」圖裡舍夫回憶道，「這真是太令人興奮了。」至於遙測數據，當時大部分時間碰巧從艾姆斯研究中心丟失，但幸運的是太令人興奮了。」至於遙測數據，當時大部分時間從艾姆斯研究中心丟失，但幸運的是，一位名叫拉里·洛格號。為了有朝一日能建立先驅者號任務的電腦模擬程式並在線上直播，他在退休離開艾姆斯研究中心之前，將所有舊文件複製到了自己的筆記型電腦上。後來，這些飛行日誌被扔掉了，一位前同事從垃圾箱裡把它們挖了出來，也寄給了凱洛格。凱洛格在艾姆斯研究中心的停車場與托特和圖裡舍夫碰面，並將所有文件交給了他們。
隨後，他們的工作正式展開。圖裡舍夫對托特批評他和他的JPL團隊之前所做的分析有何感想？他似乎也承認之前犯了一些錯誤。 「如果我們2002年就知道今天所知道的一切，我們會用略微不同的方式進行分析，」他評論道。 “在此期間，人們花了數年時間研究這個問題。現在，我覺得我有責任為這個問題畫上句號。”
五年過去了。兩位科學家利用遙測數據，為每艘先驅者號探測器創建了一個極其精細的「有限元素」三維電腦模型，該模型獨立追蹤了探測器表面10萬個位置在30年任務期間的熱特性。他們掌握了關於探測器表面熱傳導的一切信息，以及隨著發電機功率的降低，熱流和溫度隨時間推移而下降的情況。遙測分析的結果是什麼？圖裡舍夫說：「熱反沖力是加速度的一部分。」但他們沒有告訴我這部分佔比有多大。 （圖裡舍夫：「我們想把這個結果發表在科學文獻上。」）但據托特說，「你可以肯定，在考慮了熱加速之後，剩下的異常值最多也遠小於 8.74 x 10-10 米/秒² 的標準值，而且，請注意，人們談論的所有那些奇妙的數值都將不復存在。」
但熱模擬的結果並非孤立存在；畢竟，它們顯示熱加速度隨時間推移而下降，而過去人們一直認為先驅者號異常現像是恆定的。模擬結果必須在時間上與多普勒追蹤數據相匹配，而多普勒追蹤數據的分析尚未完成。多年來的多次轉換嚴重損壞了多普勒文件，讀取這些文件就花了兩年時間。研究人員也花了更多時間尋找一些關鍵的日誌（這些日誌是在另一位退休任務控制人員的遺物中找到的）。此外，他們還花了時間來解釋30年來地震如何改變了接收先驅者號多普勒資料的天線的位置。對數據的實際分析終於在一年前開始，托特和圖裡舍夫預計將在大約六個月後發表他們的研究結果。
我請求提前透露一些資訊。 「雖然恆定加速度模型是一個有效的模型，但我們已經開始發現，如果我們假設加速度存在衰減——即加速度隨時間略微衰減——那麼這個模型同樣有效，甚至更好，」托特說。此外，他還告訴我，他和圖裡舍夫一直在重新研究異常加速度指向哪個方向的問題。它可能並非像之前一直假設的那樣指向太陽。而非指向太陽的加速度則表示其成因並非引力。 “我們的結果非常具有啟發性，但我希望等到我們完全完成研究後再做進一步的說明。有很多物理學家對先驅者號異常現像很感興趣，我也已經充分意識到這個問題有多麼敏感。”
經過數十年的思考、爭論、期盼，正如圖裡舍夫所說，“以此為生”，這些科學家對先驅者號異常現象的興趣，自然而然地積累了心理包袱；對他們中的許多人來說，客觀的科學探究核心已被情感投入所籠罩。而迷霧會蒙蔽真相。
「先驅者號的異常現像只是由太空船本身造成的嗎？如果你直接下結論，就會引發各種各樣的反應，」搶救遙測數據的工程師拉里·凱洛格說。 「這就是為什麼維克托和斯拉瓦現在說話非常謹慎。如果他們哪天說，『我們已經毫無疑問地證明，太空船隻是過熱並向後運動’，那麼可以肯定的是，所有曾經發表過意見的人都會改變說法。”
對尼託來說，他絕對是「敢於發聲的人」之一，情況的確如此。 “我鼓勵他們的工作，”他說，“但我對結果持懷疑態度。當然，他們自己也不會完全確定。我們或許會就此爭論不休。”
其他物理學家則持更強烈的反對意見。 「熱量？這根本不是正確的解釋。他們錯了，」華盛頓的獨立研究員約翰馬斯雷利茲評論道。他支持宇宙膨脹的時空模型，該模型認為先驅者號異常值等於光速哈伯常數c至關重要。 「不過，我的觀點可能帶有偏見，」他補充道。
今年四月，圖裡舍夫和托特在預印本網站arXiv.org上發表了一篇長達165頁的綜述文章，題為《先驅者異常現象》，為他們即將發表的重新分析奠定了基礎。這篇綜述以兩個顯而易見的歷史軼事開頭。一個是水星近日點異常進動的故事，這顆種子在60年後孕育出愛因斯坦的廣義相對論，並終結了當時的物理學體系。另一個則是鮮為人知的異常天體運動的故事。大約在19世紀末，天文學家注意到遙遠的行星天王星的軌道異常；它偏離了牛頓引力定律所規定的軌道。 「一些著名的天文學家提出，或許牛頓定律在遠離太陽的遙遠天體上不再適用，」托特和圖裡舍夫寫道。這類猜測一直持續到1846年，當時人們發現了一顆遙遠的行星，它的位置恰好能夠以與天王星軌道受到擾動完全相同的方式擾動天王星的軌道。這顆行星就是海王星，「牛頓定律仍然有效」。
儘管圖裡舍夫和托特的實驗結果不可能像一顆新行星那樣確鑿無疑，但聽起來，他們自己已經確信這種異常現像是由熱力學原因造成的，並且牛頓定律也依然有效。 “我告訴你，”當我懇求圖裡舍夫提供分析細節時，他說道，“我們所知的物理學理論在這裡得到了很好的應用。”
註：正如一些讀者指出的，我們本周刊登了另一篇文章，表彰旅行者1號是第一個離開太陽系的航天器，而本文則將這一榮譽授予先驅者10號。需要澄清的是，這裡「離開太陽系」有兩種定義。先驅者10號於1983年飛越冥王星軌道，因此從這個意義上講，它離開了太陽系。雖然旅行者號的發射時間晚於先驅者號，但它們的飛行速度更快，因此在1990年代超越了先驅者號。旅行者1號剛抵達日球層邊緣，這是太陽系的另一個邊界。
