三十年前，美国国家航空航天局（NASA）的科学家们注意到，他们的两艘探测器“先驱者10号”和“先驱者11号”正在偏离预定轨道，仿佛受到一股神秘未知力量的影响。1998年，更广泛的科学界得知了这次偏离——被称为“先驱者异常”——并对其进行了极其细致、令人难以置信的详尽研究，使其在物理学领域获得了如同邪典地位般的声望。然而，如今，在催生了近1000篇学术论文、众多国际会议和许多完整的科学职业生涯后，这个备受喜爱的宇宙之谜可能即将结束。
加利福尼亚州帕萨迪纳市喷气推进实验室（JPL）的科学家Slava Turyshev和加拿大软件开发者Viktor Toth计划在未来几个月内公布他们对先驱者异常进行的、令人瞩目的全面新分析结果。他们的工作很可能会为现代天体物理学中最漫长、最混乱的侦探故事之一画上句号。
NASA于1972年春天发射了先驱者10号，一年后发射了先驱者11号。这两艘探测器的联合任务是收集关于小行星带、木星、土星（先驱者11号）及其卫星的信息。在飞掠这些天体时，探测器测量了它们大气层和表面的未知特性；它们还近距离拍摄了木星的大红斑和土星环的照片。然后，在20世纪70年代中期完成“飞掠”任务后，先驱者号继续前进。探测器携带相同的铭牌，上面描绘了一男一女、氢原子的跃迁以及我们在银河系中的位置——这是发给外星人的信息——成为人类制造的第一个物体，冲出太阳系，进入难以想象的寒冷黑暗的星际空间。
JPL的科学家们持续对先驱者号在深空中的运行进行多普勒跟踪。他们向两艘先驱者号发送并接收了连续的无线电信号，记录了每艘探测器在其轨道上的速度。天文学家John Anderson领导了多普勒测距数据的分析。他和他的团队打算利用这些数据研究外太阳系中细微的引力效应，远离太阳和较大行星的巨大影响。例如，人们曾认为先驱者号可能会与低频引力波同步振荡。
当然，为了探测探测器运动中的这些微妙之处，科学家们首先需要确切地知道会发生什么；这就需要构建一个极其复杂的算法。预测多普勒频移的因素包括：先驱者号在太阳、行星、卫星、小行星带和彗星云的引力作用下经历的减速，它们的位置和引力场不断变化；太阳辐射对探测器造成的微小推力，随着探测器越来越远而随时间减弱，并且随着探测器角度的变化而改变；随着探测器越来越远，无线电波的往返延迟时间增加；太阳对无线电波的引力拖曳；地球自转引起的无线电传输的额外频移……清单还在继续。Anderson将这些令人头疼的宇宙影响综合成一个单一的算法。但不幸的是，它似乎不起作用。
1980年，他注意到他根据算法预测的多普勒频移与来自探测器的无线电信号的实际测量频移之间存在微小差异。它们预期的运动和实际运动并不完全一致。当它们在太阳和行星的引力作用下向外运动时，探测器理所当然地在减速。但问题是它们减速得太多了。每年，两艘探测器都比算法预测的各自轨道位置落后几百英里。考虑到太空旅行的尺度，这当然不算多，但也不是微不足道的。持续的额外加速度相当于8.74 x 10-10 m/s²，方向指向太阳——比重力加速度小十亿倍，但仍然是不可否认的存在。
Anderson的第一反应是认为他的算法一定遗漏了什么。某种对探测器运动的微小影响一定没有被纳入数学模型。经过几年的思考和讨论，他和他的团队得出结论，异常加速度是由“释气”引起的——推进剂从推进器中滴出，在滴出时产生反作用力作用在探测器上。由于此时探测器正在星际空间中无动力航行，科学家们认为燃料滴很快就会停止滴落，影响也会随之消失。但令人费解的是，情况并非如此：在接下来的十年里，探测器的飞行里程数以亿计——但却比应有的里程数少了数千。
1994年，Anderson收到一封来自新墨西哥州圣达菲附近洛斯阿拉莫斯国家实验室的宇宙学家Michael Martin Nieto的意外邮件。Nieto最近对牛顿的平方反比定律的替代理论产生了兴趣，包括一项名为MOND（修正牛顿动力学）的新理论。因此，他联系Anderson，想了解NASA对其基于探测器运动观测的引力强度有多大把握。Anderson回复说，事实上，对于先驱者号来说，引力似乎并没有按照预期运行。
当Nieto读到先驱者10号和11号所经历的微小异常加速度的精确值时，他几乎从椅子上摔了下来。（用典型的物理学语言来说：“我的办公室有硬地板，我的电脑椅有轮子，所以当我因为‘什么？’的反应而仰起背时，椅子就开始滚动了。”）一个深刻的宇宙巧合正在发生：正如Nieto立即注意到的那样，先驱者异常的值几乎完全等于所谓的“宇宙加速度”——光速‘c’乘以哈勃常数‘H’——这表明异常的成因根植于物理学的基础。
就在那时，Nieto加入了JPL的Anderson团队，启动了对先驱者异常的一项重大调查，并从此投入了大部分精力研究它。为什么？“先驱者异常可能是引力偏离平方反比依赖关系的第一证据，”他最近说。“这可能非常重大。”
刚从莫斯科来到JPL的Slava Turyshev很快加入了Anderson和Nieto的团队。他们与另外三人一起，对所有可用的先驱者多普勒数据进行了详细调查。与此同时，他们还检查了其他任务的数据，并发现了“旅行者号”和“伽利略号”轨道上异常的初步证据。[注意：只有先驱者号、旅行者号和伽利略号是自由漂浮的。所有其他NASA探测器都采用三轴稳定：它们在三个方向上施加气体推力以保持轨道，这些修正消除了运动中的任何微小偏差。所有四个非三轴稳定探测器似乎都在以JPL科学家的观点发生偏离。] 1998年，他们在《物理评论快报》上发表了一篇引起轩然大波的文章，向世界宣布了他们的发现。
混乱随之而来。“1998年是相当有趣的一年，因为就在我们公布先驱者异常的同时，发现了暗能量，”Turyshev解释说。“所以基本上我们意识到宇宙正在因为暗能量而加速，人们欣喜若狂，说‘看，我们在太阳系里发现了非常令人兴奋的东西，也许我们需要修改引力，这一切都会消失，爱因斯坦和牛顿将被推翻。’”
毕竟，天体运动中的微小异常曾导致物理学的巨大变革。1915年，水星近日点的著名“异常”进动帮助证实了爱因斯坦的广义相对论。1998年，与这一历史先例的比较无疑提高了先驱者异常的知名度，也提高了许多试图解释它的“局外人”理论的知名度。其中一个例子就是前面提到的MOND，它认为引力在远离大质量天体的远处并不遵循平方反比定律，而是遵循略有不同的规律。自1998年以来发表的数百篇物理学论文都声称MOND为先驱者异常提供了可行的解释。
另有数百篇论文假设，弥漫在星系外围的大量尚未探测到的“暗物质”的存在可能对先驱者号探测器造成了摩擦阻力，使其减速。
还有一群物理学家则关注Nieto四年前几乎从椅子上摔下来的巧合。在同时期发现暗能量和宇宙加速膨胀的背景下，先驱者异常的值等于宇宙加速度（c乘以H）似乎非常重要。科学家们想，也许NASA多年来一直在测量宇宙空间的膨胀！
更保守的物理学家则非常正确地指出，如果暗物质或MOND导致了探测器的异常加速度，那么它们也应该影响最外层行星的运动，但并未观察到类似情况。他们认为，先驱者异常要么不存在（即JPL科学家误解了多普勒数据），要么源于普通的设备故障。最可能的罪魁祸首被认为是探测器上的热量散发。
热异常？
先驱者号发电机内的钚在其峰值功率时每秒释放2500焦耳的热能。其中一些热量转化为电能，驱动仪器。其余的则直接辐射到太空中。如果由于任何机械原因，发电机向外辐射的热量不均匀，朝一个方向辐射的多余热量就会产生不平衡的反作用力，导致探测器加速。事实上，正如物理学界迅速指出的那样，如果一个方向比另一个方向多辐射5%的热量，就会产生足够大的反作用力来解释先驱者异常。
JPL团队 duly noted 这一点，并在接下来的几年里调查了所有与热量相关的证据。他们于2002年公布了结论。热量：无罪。首先，他们说，随着发电机内钚的衰变，它们散发的热量减少了，因此如果热量是原因，那么探测器的异常加速度也应该随时间减小。但事实并非如此——它似乎是恒定的。其次，发电机安装在长杆的末端，离探测器主体很远。从如此远的距离，他们计算出很少有热量会影响探测器并产生反作用力——这个数值比观测到的效应低一个数量级。第三和第四点是伽利略号和旅行者号提供的初步证据，它们都采用了与先驱者号截然不同的动力系统。
他们的论点说服了大量的物理学家，他们开始以极大的热情争夺爱因斯坦及其非相对论助手牛顿的宝座。在德国、瑞士、美国以及世界各地的会议上，他们从讲台上宣称诸如以下理论：异常实际上反映了时间本身的宇宙加速！异常表明构建爱因斯坦时空的黎曼几何学是不完整的！我们发现了一种新的力！太阳系正在膨胀！太阳系是一个全息图！弦理论的维度正在拉扯探测器！这场思想的盛宴——或者正如Viktor Toth所描述的，“疯狂的猜测”——至今仍未平息。
回到地球
Viktor Toth的爱好包括玩老式电脑游戏、解决未解的数学和物理问题、数据处理、外太空和老式电子设备。所有这些事物的联系中心就是先驱者异常，因此Toth成为现在所处的位置——身处其中，也就不足为奇了。Toth从一开始就持怀疑态度，他首先使用家里的电脑对公开的先驱者多普勒数据进行了独立分析，以亲自了解异常是否确实存在。（据称，Toth的数据处理技能非常出色，他对别人的分析似乎都持谨慎怀疑的态度。“很多我称之为‘家庭作业’的事情都没有完成，”他说。）在构建了自己的宇宙影响算法，并根据该算法处理了数据，确认两者之间确实存在不符之后，他便开始着手研究原因——同样，对过去的分析不予太多考虑。
特别是，他认为Anderson及其团队在2002年完成的、排除了热效应作为异常原因的研究并不够彻底。“意识到从未对先驱者号探测器进行过充分、详细的热分析，这当然是我巨大的动力，”他说。“我的意思是，让我们做点事情，你知道吗？”
为了获得更完整的数据集，Toth开始与JPL的Turyshev通信。他们同意需要对比之前分析的十年时间段更长的时间跨度的多普勒数据进行分析。“先驱者号是在70年代用打孔卡发射的，”Turyshev解释说。“然后他们使用了Fortran，接着是C，现在我们使用C++，所以我们需要将所有这些旧数据转换为现代导航软件。”除了多普勒数据，他们还决定分析探测器的遥测数据，Turyshev称之为由114个传感器收集的“内务信息”，这些传感器覆盖了每艘先驱者号的表面，并在无线电通信期间传回地球。最重要的是，遥测数据包含了关于每个探测器上所有位置在整个任务期间每个时刻温度的信息。
那是2005年。Toth从他在渥太华的家开车来到艾姆斯研究中心，在那里存储着所有旧数据，并第一次见到了Turyshev。当他们到达时，他们看到建筑入口外面停着几个大垃圾箱。30多年来先驱者号的多普勒数据和相应的日志本将在两周内被扔掉。当时艾姆斯的研究资金非常有限，无法存档任何东西。“当我们意识到情况如此糟糕时，我们尖叫、喊叫、跳舞、微笑、欢呼，所有这些都促使艾姆斯的一些人获得了少量资金，以便他们能够存档所有材料和项目信息，”Turyshev回忆道。“这非常令人兴奋。”至于遥测数据，当时大部分已经从艾姆斯丢失了，但幸运的是，一位退休的先驱者任务控制工程师Larry Kellogg碰巧保存了所有数据。他希望有一天能构建先驱者任务的计算机模拟并在线播放，所以在退休离开艾姆斯之前，他将所有旧文件复制到了他的笔记本电脑上。当日志本被丢弃时，一位前同事将它们从垃圾箱里挖出来，也寄给了Kellogg。Kellogg在艾姆斯停车场遇到了Toth和Turyshev，并将所有东西都交给了他们。
然后，他们的工作才真正开始。Turyshev如何看待Toth对他和JPL团队先前分析的批评？他似乎同意存在错误。“如果我们早在2002年就知道我们今天所知的信息，我们会以略微不同的方式进行分析，”他评论道。“与此同时，人们花了数年时间研究这个问题。现在，我感到有责任带来结论。”
五年过去了。利用遥测数据，两位科学家为每艘先驱者号探测器创建了一个极其复杂的“有限元”3D计算机模型，其中对表面10万个位置的热特性在30年任务期间进行了独立跟踪。他们了解关于探测器表面热传导的一切信息，以及随着发电机功率下降，热流和温度如何随时间衰减。遥测分析的结果呢？“热反作用力解释了部分加速度，”Turyshev说。他们不愿意透露是多大的比例。（Turyshev：“我们希望在科学文献中发表。”）但据Toth说，“你可以确信，在考虑了热加速度后，剩余的异常值最多会远小于标准的8.74 x 10-10 m/s²，然后，请注意，所有那些美妙的数字巧合都会被破坏。”
然而，热力学模拟的结果并非孤立存在；毕竟，它们显示热加速度随时间而下降，而在过去，先驱者异常一直被认为是恒定的。模拟必须与多普勒跟踪数据在时间上相匹配，而对这些数据的分析尚未完成。多年的多次数据转换严重损坏了多普勒文件，阅读它们花了两年时间。花费更多时间来定位一些关键的日志本（在另一位退休任务控制人员的纪念品中找到）。此外，还需要花费时间来解释30年的地震如何改变了接收先驱者号多普勒数据的天线位置。实际的数据分析在一年前才开始，Toth和Turyshev预计在大约六个月后公布他们的结果。
我请求提前一窥。“虽然恒定加速度的想法是一个有效的模型，但我们已经开始看到，如果假设存在某种衰减——即加速度随时间略有衰减——那么它同样有效，甚至更好，”Toth说。此外，他告诉我，他和Turyshev一直在重新审视异常加速度指向哪个方向的问题。它可能并不像一直以来认为的那样指向太阳。非太阳方向的加速度将表明非引力原因。“我们的结果非常具有启发性，但我希望等到我们完全完成后再多说。有一个对先驱者异常感兴趣的物理学界，我已充分意识到这件事的敏感性。”
经过数十年的思考、争论、希望，以及Turyshev所说的“以此为生”，这些科学家对先驱者异常的兴趣，可以理解地，积累了心理包袱；对许多人来说，情感投资的乌云笼罩在客观科学探究的核心之上。而云朵会遮蔽事物。
“先驱者异常只是由探测器引起的吗？如果你这样声明，你会得到各种各样的感受，”拯救了遥测数据的工程师Larry Kellogg说。“这就是为什么Viktor和Slava现在说话非常谨慎。如果他们有一天得出结论，‘我们已毫无疑问地证明了探测器只是在加热并向后推，’那么我可以打赌，所有说过任何话的人都会说些别的。”
对于Nieto来说，他坚决站在“说过任何话的人”的行列中，情况将是如此。“我鼓励他们的工作，”他说，“但我将对结果持怀疑态度。当然，他们也不会完全确定。我们可能会永远争论不休。”
其他物理学家则更具攻击性。“热量？那根本不是正确的解释。他们错了，”一位名叫Johan Masreliez的独立研究人员在美国华盛顿评论道，他支持宇宙膨胀时空模型，该模型需要先驱者异常的值等于c乘以H。“但我也是有偏见的，”他补充道。
四月，Turyshev和Toth在Arxiv.org上发表了一篇题为“先驱者异常”的165页的综合性评论文章，为即将发表的重新分析文章做准备。该评论以两个明显相关的历史轶事开头。一个是水星近日点异常进动的 the story，这是60年后发展成爱因斯坦的广义相对论和当时物理学的终结。另一个是关于天体运动异常的鲜为人知的故事。大约在19世纪末，天文学家注意到遥远的行星天王星的轨道“古怪”；它偏离了牛顿引力所规定的轨道。“一些著名的天文学家推测，也许牛顿的定律在远离太阳的地方会失效，”Toth和Turyshev写道。这种推测持续到1846年，那时发现了另一颗遥远的行星，恰好位于扰动天王星轨道所需的位置。这颗行星就是海王星，“牛顿定律得以保全。”
尽管Turyshev和Toth的结果不可能像新发现的行星那样坚实，但从听起来，他们自己已经相信了异常的热源原因，以及牛顿定律的纯洁性。“让我告诉你，”Turyshev在我恳求他透露分析细节时说道。“我们所知的物理学运作良好。”
注：正如一些读者指出的那样，本周我们报道了“旅行者1号”成为第一艘离开太阳系的探测器，而本文则将这一荣誉归给了“先驱者10号”。为了澄清，这里存在两种“离开太阳系”的定义。“先驱者10号”于1983年越过冥王星轨道，所以从这个意义上说，它离开了太阳系。尽管“旅行者号”比“先驱者号”晚发射，但它们的飞行速度更快，因此在20世纪90年代超过了“先驱者号”。“旅行者1号”刚刚抵达日球层边缘，这是太阳系的另一个边界。
