了解太空中目标天体的精确位置有多难？

在人类太空旅行的历史中，每一次冒险都在提醒我们，我们对现实的测量是多么不精确。

　　北京时间12月23日消息，在20世纪60年代的早期太空竞赛中，如果是以宇宙飞船导航所需的精确度而论，美国和苏联的科学家实际都不清楚火星、金星等行星的具体位置。这听起来有点可笑。当然，当宇宙飞船到达这些行星附近时，他们还是能大致知道目标会在哪里。但是，这里的“大致”可能意味着1万或10万公里的偏移量。行星的位置，即它们的星历表，依赖于以极高精度对其轨道随时间推移的变化情况进行校准。但唯一合理的方法是直接测量，就像古代的水手需要沿着岛屿或海岸线航行，以便确定纬度和经度一样。
　　关于这个问题，一个很不体面的例子发生在1961年初。从苏联发射金星1号（Venera 1）探测器开始，人类向金星发射探测器的计划便拉开了序幕。苏联和美国科学家都希望能最早确定金星的位置，并以此来精确计算天文单位——当时被定义为地球中心与太阳中心之间的平均距离。在地球上，可以通过测量从金星上反射的雷达信号来确定距离。几个月后，苏联人自豪地宣布了基于金星的天文单位测量改进方法，但美国人很快发现，这与他们自己的雷达测量结果相差约10万公里。美国人兴高采烈地嘲笑苏联人，说他们可能发现了一颗新的行星。
　　回想起来，这台苏联探测器——原本计划在测距结果宣布的时候飞掠金星——之前已经经历了一系列的挫折，包括失败的热控制和姿态控制失灵。尽管它可能确实经过了金星附近的某个位置，但我们永远也无法确切知道它与该标记位置的距离，因为在那一点上，地球与探测器的所有通讯都停止了。
　　错误认定金星的位置可能会带来灾难性的后果。金星1号探测器可能因为偏离太多而无法获得任何有用的数据，它也可能直接撞向行星，造成不光彩的坠毁。可以想见，在这些惨痛的教训之后，科学家们会多么努力地确定太阳系天体的位置，与之相关星历表也编制得越来越厚，越来越精确。然而，即使有了长足的进步，精确定位航天器及其行星目标所面临的基本问题仍未完全解决。在某种意义上，问题反而愈加尖锐。
　　如今，位于美国加利福尼亚州的美国航空航天局（NASA）喷气推进实验室是星历表的主要编制机构之一，提供了精心编写并不断更新的数据，帮助我们确定行星、卫星、彗星、流星群和小行星的位置。这就像农民所用的年历，只不过是用于行星探索。然而，随着探索范围越来越远，我们的目标越来越新奇，我们所面临的挑战也越来越大。
　　已经有机构在草拟一项雄心勃勃的计划，希望利用强大的激光，推动带有轻型帆的微型“纳米飞船”（nanocraft），一路航行到南门二（半人马座α）恒星系统。该系统距离地球超过4光年，如果以20%的光速（约每小时2.16亿公里）前进，需要花费至少20年的时间。在正确的时间到达另一个恒星系统的正确位置，这个问题远比到达遥远的太阳系边缘星球（如冥王星）复杂得多，虽然前往冥王星就已经够困难的了。
　　2006年，NASA的“新视野号”探测器以破纪录的速度发射，在9年多的时间里飞到冥王星附近（在木星引力帮助下），飞行距离近50亿公里。利用地球上的望远镜观测，以及对冥王星的轨道运动进行精细的计算机模拟，我们可以确定该探测器在天空中的位置，精确度可达约0.00014度角。然而，冥王星太过遥远，如此微小的不确定性也会导致约13000公里的位置误差，足以严重阻碍近距离飞掠任务。更加复杂的是，新视野号在轨道上经历了难以预测的漂移，这是钚发电机产生的不均匀热辐射所导致的。
　　新视野号终于在2015年7月与冥王星相遇，这让那些在发射之后等待了相当长一段时间的科学家们松了一口气。它以12500公里的距离飞掠冥王星。最后，为了快速掠过冥王星及其卫星，新视野号在接近正确路径的任何地方都要进行细致的位置测量，并使用探测器自带的相机进行航向修正。这一过程需要极大的耐心。
　　现在，让我们来比较一下冥王星与距离太阳最近的恒星——比邻星（Proxima）。比邻星位于半人马座，是半人马座α三合星的第三颗星，以每秒约32.19公里的速度相对太阳运动。不过，每秒0.01公里的最小有效数字，意味着在为期20年、600多万公里的任务中会累积相当大的位置不确定性。这还是恒星，一个明亮的、比较容易研究的天体，而恒星系统中的行星亮度会下降10亿倍，其位置也更加难以确定。与新视野号一样，星际探测器很可能不得不随时跟踪自己的目标，并且必须自主完成，因为与地球的来回通信就需要数年的时间。
　　至于微型航天器能否携带必要的计算工具，或者是否具备追踪目标所需的感知和操纵能力，还有待观察。明亮的恒星本身可能就是最好的标记，可以和太阳一起作为导航灯塔。从激光二极管发射的微弱脉冲可以提供调整方向的推力，但更关键的是，数百甚至数千台具有人工智能的纳米飞船在发射之后，每一台都具有相互学习的能力，或许可以通过大规模冗余和牺牲多数来达到时间和空间目标。然而，当你试图用一颗子弹去拦截另一颗飞来的子弹——无论是恒星还是行星——时，差错可能是在所难免的。
　　不难发现，在数千或数百万公里的范围内，位置的不确定性可能会给太空探险者带来麻烦。但奇怪的是，绕轨道运行的恒星和行星具有一些基本的物理学属性，这些属性取决于非常小的位置不确定性，并且可以毫不含糊地决定整个系统的生存。究其根源，在于引力物体之间的动力混乱现象，以及混乱但数学上可绘制的不稳定性，还有天体运动的不可预测性。尽管科学家自19世纪80年代就发现了混沌现象，但直到20世纪80年代，研究人员才开发出专门用途的计算机，以精确模拟太阳系中行星受引力驱动的运动。这些模拟揭示了我们生活在一个多么混乱的空间中。
　　结果表明，如果在数千万年到数十亿年的时间里追踪太阳系内物体的运动，诸如水星这样的行星位置出现毫米级的变化，也会产生很大的影响：未来的轨道可能相对平淡无奇，但也可能使内太阳系变得不稳定，行星被甩向太阳，或者逃逸到星际空间的轨道上，甚至将两颗行星置于相互碰撞的轨道上。
　　如此微小的变化会导致如此截然不同的结果，这让许多希望世界具有某种可预测性的人无法接受。这就说到了人类作为一个物种，似乎一直在努力想要做到的一些事情。我们很希望所谓的现实是固定不变的，或者至少不是变幻莫测的。但现实很少如此。
　　在将航天器发射到其他行星，甚至其他恒星的过程中，我们别无选择，只能承认目前的这种不精确性。现实就是如此残酷，我们对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测量得出的推论，无论是行星轨道和引力，还是代数的逻辑和符号处理——后者是通过人脑和人脑开发的机器来“测量”的。令人惊奇的是，这些定律能够很好地模拟和预测物理世界的各个方面，几千年来一直在帮助我们，并使我们感到安心。今天，我们似乎已经设法扭转了这个问题，可以预测自然中可能发生的各种混沌，从不稳定的天气条件到不稳定的股票市场，当然还有行星。
　　这就是为什么诚实面对局限性是一件美好的事情，因为我们能因此找到跨越空间、时间并理解界限性的方法。20世纪60年代的火箭科学家们试图掌握金星和其他行星的位置，他们甚至都没有意识到，自己在某些方面已经成为先驱。他们不仅是在穿越虚无的太空，试图确定几乎不可能定位的天体，更是在认识现实本身的根本性质。（任天）

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