Astronomy 版 (精华区)

发信人: reise (旅行), 信区: Astronomy
标  题: 暗淡蓝点·六、旅行者号的胜利　　
发信站: 哈工大紫丁香 (2003年06月14日12:52:21 星期六), 站内信件

　　他们乘船下海，在大海上做生意；他们看见了上帝的杰作和他在深处的奇迹。 
                                     　　--赞美诗，107(约公元前150年) 

　　我们给孩子们提出的理想会影响他们的未来。重要的问题是，那是一些什么样
的理想。它们往往是一些靠自己能力能达到的愿望的预言。梦想即是图象。 

　　我并不认为描绘最可怕的未来是不负责任的。如果我们想避免它们，我们就必
须知道它们是可能的。可是哪里是可供选择的办法?哪里是发挥促进与鼓舞作用的
梦想?我们渴望把使我们引为自豪的世界现实图象交给孩子们。可是描绘人类目标
图象的人在哪里?对充满希望的未来的理想在哪里?科学技术是改善人类生活的工具，
而不是指着我们脑袋一触即发的一支枪。那么对科技的理想又在何方? 

　　国家宇航局在它的常规工作中提出这样的理想。但是在 20世纪80年代与90年
代初期，许多人都把美国的太空计划视为一系列灾难：在执行一项以放置一颗通信
卫星为主旨的任务时，7位勇敢的美国人丧生了，而这颗卫星本来可以较低成本且
不需要有任何人冒风险的方式发射的；一架价值10亿美元的望远境在分辨率很差的
情况下送上太空；向木星发射的一艘太空飞船的主天线--它对于向地面发回资料是
必不可少的--打不开；一个探测器在快要绕火星运转时丢失了。 

　　每当国家宇航局把几名宇航员送人在320千米(200英里)高处的一个小密封舱，
无穷无尽地绕地球旋转．什么地方都去不了，而把这说成是探测时，有些人感到畏
缩了。和遥控装置探测的光辉成就相比，载人飞行取得的基础科学发现少得令人吃
惊。除掉修配研制失误或发生故障的卫星，或者发射原本恰好也可用无人火箭助推
器送上天的卫星之外，从20世纪70年代以来，载人航天飞行似乎没有取得与所化代
价相称的成就。也有一些人把国家宇航局看作为实现把武器送入太空的奢侈计划而
使用的一匹掩蔽用的假马㈠，全然不顾在许多情况下绕地飞行的武器只是一只坐以
待毙的鸭子㈡。于是有许多症状显示国家宇航局是一个衰老的、动脉硬化的、谨小
慎微的、没有雄心壮志的官僚机构。也许这种动向正在开始逆转。 

　　但是这些批评--它们中的许多肯定是正确的--不应让我们对同一时期中国家宇
航局的成就视而不见：对天王星和海王星系统的首次探测，对哈勃太空望远镜在其
运转轨道上进行检修．证明星系的存在与大爆炸理论相符，对小行星的首批近距观
测，对金星从南极到北极的勘测，对臭氧的损耗进行监测，证明在一个近邻星系的
中心存在一个质量为太阳的 

　　10亿倍的黑洞，以及美国与俄罗斯联合太空作业的历史性实施。 

　　太空计划具有深远的，梦幻般的，甚至革命性的内涵。通信卫星把我们的行星
联成一体，成为环球经济的中枢，并且通过电视经常体现我们是生活在一个全球大
家庭里这样一个重要的现实。气象卫星预报天气，减少飓风和龙卷风造成的人员伤
亡，并避免每年成十上百亿美元的农产品损失。军事侦察与限制武器等条约核实卫
星，使各个国家以及全世界的文明变得更为安全；在一个拥有成千上万件核武器的
世界上，它们让各方面头脑发热的狂人镇静下来；它们是使一个苦难的和难以捉摸
的行星能够生存下来的主要工具。 

　 　　地球观测卫星--尤其是即将发射的新一代卫星--监测全球环境卫生：温室
效应使地球变暖、表土层侵蚀、臭氧层损耗、洋流、酸雨、洪涝和干旱的影响，以
及我们还没有发现的新的灾害。这是明确的行星卫生学。 

　　现在全球卫星定位系统已经在运转，因此藉助几个卫星可以通过无线电三角测
量定出你的位置。手上拿着像现在的短波收音机那样小的仪器，你就可以读出你所
在处非常精确的经、纬度值。将要坠毁的飞机，陷入浓雾中或浅海中的船只，或者
在陌生城市中开汽车的人，都决不会再因迷失方向而遭殃。 

　　天文卫星以前所未有的清晰度从绕地轨道向外凝视，就可以研究从近邻恒星拥
有行星的可能性一直到宇宙的起源与命运等种种问题。行星探测器对我们太阳系中
千姿百态的其他星体进行近距观察，把它们的命运与我们的地球进行对比。 

　　所有这些活动都是有远见的、大有希望的、激动人心的，也是节省费用的。它
们不需要使用载人航天器。未来的国家宇航局所面临的，也是本书所讨论的一个关
键问题，便是就载人空间飞行所声称的辩解是不是有道理的和可行的。值得为它花
费那样大的代价吗? 

　　但是，首先还是让我们考虑在行星中间航行的遥控空间飞行器所展现的大有希
望的前景。 

　　"旅行者1号"和"旅行者2号"是为人类敞开太阳系，并为子孙后代开辟新途径的
两艘飞船。在它们于1977年8月和9月发射之前，我们对太阳系的行星部分几乎是一
无所知。在发射后的12年间，它们向我们提供第一批关于许多新世界的详尽资料与
特写镜头，而过去在地面望远镜的目镜中，这些新世界有的看起来是模糊的圆面，
有的仅是光点，而对有一些连它们的存在都还没有猜想到过。这两个航天器现在还
在发回大量资料。 

　　这些航天器让我们了解其他世界的奇观、我们的世界的唯一性和脆弱性以及宇
宙的起源和终结。它们使我们接近太阳系的大部分区域--就范围的广度上与众多的
数量上来说都是这样。正是这些飞船首先探测了也许会成为我们远代后裔家园的星
体。 

　　目前美国的运载火箭的威力都不够大，难以单靠火箭的推进仅在几年里把这样
的一艘太空飞船送达木星或更远处。但是我们是聪明的(也是幸运的)，还有别的办
法：我们能够 　　(像"伽利略号"做过的那样)飞到一个天体的近旁，让它的引力
把我们推向下一个天体。这叫做引力支援。除掉独出心裁，我们几乎没有花费什么
。这有点像玩旋转木马，在它转过来时抓住在它的上面的一根柱子，就会使你加速
并转到某个新方向。航天器的加速被行星绕日轨道运动的减速抵销掉一部分。但是
因为与航天器相比，行星的质量要大得多，因此行星几乎一点也未慢下来。每一艘
"旅行者号"太空飞船都从木星的引力获得近每小时64 　　000千米(40 000英里)的
速度增值。反过来，木星绕太阳的运动则变慢了。这有多少呢?从现在算起50亿年
之后，当我们的太阳变成一颗膨胀的红巨星时，木星与20世纪后期"旅行者号"尚未
飞越它时的情况相比，将向太阳移近1毫米。 

　　"旅行者2号"利用罕见的"行星联珠"天象，它飞到木星近旁，受到加速而驶向
土星，再由土星到天王星，从天王星到海王星，然后经海王星飞向恒星。但是你并
不能在你希望的任何时候都这样办：这种天体"联珠"游戏的上一次机会是在杰斐逊
(Thomas 　　Jefferson)㈢当总统时出现的。那时人们处于仅在马背上、独木舟里
和帆船上进行探测的时期(当时汽船是即将出现的新技术)。 

　　由于缺少足够的资金，国家宇航局的喷气推进实验室仅承担得起建造能远到土
星仍可靠工作的飞船。超过它，就一筹莫展了。然而由于卓越的工程设计--事实上
是用无线电把指令发往飞船的喷气推进实验室工程师们具有非凡才能，他们及时排
除了飞船的故障--使得两个航天器都能继续前进，去探测天王星和海王星。目前，
它们正在从距太阳已知最远的行星之外的空间，把它们的发现用电讯发送回来。 


　 　　我们往往更多地听到探险带回来的辉煌成果，而不是运载它们的船只，也
不是造船工人。情况总是这样的。甚至那些使人醉心于哥伦布(Christopher 　　
Columbus)航行的历史书籍，对"尼娜号"、"平塔号"和"圣玛丽亚号"船只的建造者
以及这些轻快帆船的原理都谈得不多。这些太空飞船，以及它们的设计人、建造者
、导航员和操纵人员，都是为了很明确的和平目标而发展的科学技术所能取得的成
就的范例。那些科学家和工程师应都是为美国追求卓越成就和国际优势地位的模范
人物。应当把他们印在我们的邮票上。

 　　对木星、土星、天王星和海王星这4颗巨行星中的每一个，上述两艘或其中一
艘太空飞船研究了行星本身及其环带和卫星。1979年，它们在木星附近经受了为致
人于死地的辐射剂量1 　　000倍的被俘获带电质点的袭击。在这种辐射的全部包
围中，它们发现了这颗最大行星的若干个环，在地球之外首次看到的一些活火山，
以及在一个没有空气的世界上可能存在的地下海。此外还有许多惊人的发现。
1980年和1981年，它们在冰暴袭击中幸免于难，并且发现了不是几个，而是几千个
新的环。它们考察了相对来说不久之前曾神秘地融化了的冰冻卫星，以及一个可能
拥有液态碳氢化合物海洋(上面漂浮着有机物质云)的大星体。 

　　1986年1月25日，"旅行者2号"进入天王星系统并报道了一系列奇异事件。这次
会合只持续了几个小时，但是如实传回地球的信息，使我们对这颗蓝绿色行星(包
括它的15个卫星、漆黑的环系和俘获的高能带电粒子带)的认识发生了一场革命。
1989年8月25日，"旅行者2号"掠过海王星系统，并观察到在遥远太阳的微弱照耀下
千变万化的云彩图案；还有一个古怪的卫星，在它上面，稀薄得令人惊异的大气中
的风吹起有机微粒的卷流。直到1992年，已经飞越了已知最外面的行星，两个"旅
行者"航天器还接收到无线电辐射，它可以认为是来自更遥远的太阳风层顶--即太
阳风让位给恒星风的地方。 

　　因为我们栖息在地球上，我们不得不通过一个使图象变形的大气海洋凝视遥远
的星体。它们所发射的紫外光、红外光和无线电波，大部分都不能穿透我们的大气
。因此容易了解，为什么我们的太空飞船已经革新了对太阳系的研究：我们升到彻
底透明的真空的太空，像"旅行者号"那样接近我们的目标，飞过它们旁边，或者绕
它们运转．甚至在它们表面着陆。 

　　这些航天器已经向地球发回4万亿比特的信息，这大约相当于100 000卷百科全
书。我在《宇宙》中描述了"旅行者1号"和"旅行者2号"与木星系统的会合。下面我
要谈谈与土星、天王星及海王星的会合。 

　　在"旅行者1号"正要与天王星系统会合之前，任务设计人员已设定好了一个最
后的操纵动作，即让航天器上的推进系统短暂点火以校正航天器的位置，使它在急
驰飞翔的卫星中间按照预定的航线穿过。但是实际情况是这种航线改正已经不必要
了。在沿一条弧形路径飞行50亿千米之后，飞船还是在离设计轨迹的200千米范围
之内。其精度已大致相当于抛出一根针，让它穿过50千米之外的针眼；或者在华盛
顿开枪，击中在达拉斯的一头牛的眼睛。 

　　行星蕴藏的珍贵信息由无线电传回地球。但是地球毕竟太远，地面上的射电望
远镜收集到海王星的信号时，其接收功率只有10的负16次方 瓦(在小数点与1之间
有15个零)。这种微弱信号与一盏普通台灯的功率相比，有如一个原子的直径与地
月之间距离之比。要收到这样的信号，就像听到一只变形虫的"脚步"声。

 　　"旅行者"的任务是在20世纪60年代后期设想的。1972年获得第一笔经费。但
是直到两艘飞船完成对木星的侦察后，这个任务(包括与天王星及海王星的会合)才
得到最后的批准。两个航天器的发射升空，用的是一个不能再度使用的"大力神／
半人马"助推火箭组合。每个"旅行者"重约一吨，可以塞满一间小屋。每一个所需
功率约为400瓦--比一个普通美国家庭的能耗少得多--由一台把放射性钚转换成电
力的发电机提供。(如果必须依靠太阳能，那么当飞船离太阳越来越远时，它所能
得到的能量就迅速减少。如果不是用了核能，"旅行者"除了从木星也许发回一点点
资料外，就根本没有外太阳系的资料发送回来了。) 

　　在航天器内部有电流通过，就会产生颇强的磁场，足以干扰测量行星际磁场的
灵敏仪器。因此磁强计是放在一根长吊杆的末端，远远离开引起不良效果的电流。
这根吊杆与其他伸出的部件，使"旅行者"航天器看起来有点像一头豪猪。照相机、
红外和紫外光谱仪以及一架称为照相偏振测量仪的仪器都放在一个扫描平台上，此
平台按指令绕支架转动，使各种装置对准所观测星体。只要天线的指向是正确的，
航天器就必定知道地球是在何方，因此信息可以传送回来。它还需要知道太阳以及
至少一颗亮星的位置，这样一来它可以确定自己在三维空间中的方位，并正确指向
任何一个在附近通过的星体。如果你不能把照相机对准，飞船就无法把几十亿千米
外的图象很好地传送回来。 

　　每一个航天器的成本大致都和一架现代战略轰炸机一样昂贵。但是和轰炸机不
一样，"旅行者"一旦发射出去，就不能收回库房进行修配。因此飞船上的计算机及
电子仪器都设计得很累赘。许多关键性的部件，包括主要的无线电接收机在内，都
至少有一个备件--一旦需要就可投入使用。每当一个"旅行者"航天器出现故障，电
脑就使用树形逻辑程序中处理意外事故的分支来制定一套适当的动作程序。要是这
不能解决问题，飞船就发电报回家求救。 

　 　　太空飞船飞得离地球越来越远，无线电往返传递的时间也变长，当"旅行者
号"在海王星的距离处时，这个时间接近 11个小时。因此，一旦出现紧急情况，飞
船需要知道怎样让自己进入一个等待地球指令的安全待命状态。随着航天器的老化
，它的机械部件和电脑系统的失灵会越来越多；然而直到现在还没有出现过严重的
记忆能力衰退和某些自动装置的阿尔茨海默氏病㈣。 

　　这并不是说"旅行者号"航天器是完美无缺的。严重威胁探测任务的令人神经极
度紧张的事故确实出现过。每一次都委派一批工程师--有的人从一开头就参加"旅
行者号"计划--组成一个特别小组来"处理"问题。他们研究有关的科技资料，并运
用他们对失灵的部件原有的经验，他们用从未发射过的、完全一样的"旅行者号"航
天器设备来做实验，或甚至制作许多个失灵的部件，来对它们的失灵方式进行某种
统计研究。 

　　1978年4月，在发射将近8个月之后，飞船正在接近小行星带，这时遗漏了一个
地面指令--这是一个人为的差错--使"旅行者2号"上的计算机未与主要的无线电接
收机连接，而误连到它的备用机上了。在接下来地面向航天器发送指令时，备用接
收机未能锁住来自地球的信号，这是因为一个叫做跟踪环形电容器的部件失灵了。
在"旅行者2号"完全失掉联系7天之后，它的故障警戒软件突然命令备用接收机断开
，并让主接收机接通。然而主接收机在片刻之后神秘地失灵了，再也听不到它的声
音了。(直到今天，谁也不知道究竟为什么。)为了完成任务，航天器上的电瞄此刻
愚蠢地坚持要使用已经失灵的主接收机。就这样，由于人为的和电脑的一连串不幸
的差错，飞船现在处于真正的危险之中。谁也想不出一个办法让"旅行者2号"恢复
使用备用接收机。但即使这办到了，由于电容器失效，备用接收机也不能收到来自
地球的指令。许多设计人员曾经担心，这样一来一切都完蛋了。 

　　但是在一个星期对地球指令冷漠地毫无反应之后，飞船终于接受了两个接收机
之间自动转换的指令，并编入了这台反复无常的船载电脑的程序中。也就在那一个
星期，喷气推进实验室工程师们设计出一个创新的指令频率控制程序，来保证让受
过损伤的备用接收机也能理解主要的命令。

 　　工程师们现在至少初步地能够和飞船恢复联系了。不幸的是备用接收机现在
变得很不稳定，它对航天器各个部件通电和断电时散发的热量极为灵敏。在随后的
几个月中，喷气推进实验室的工程师们通过自己设计与进行的一些试验，彻底弄清
楚了大多数航天器操作模式受热的影响：哪些因素会阻碍，而哪些会容许接收来自
地球的指令? 

　　有了这样的知识，备用接收机的难题就完全解决了。此后它收到了地球上发出
的、关于如何收集木星、土星、天王星与海王星系统的资料的全部指令。就这样，
工程师们拯救了飞行任务。(为了保障安全，在"旅行者2号"后来的大部分飞行中，
在与下一个行星会合之前，总是先把一套按计划进行的收集资料的程序存储在船载
的电脑中，这样一来，即使航天器再次听不见来自家园的请求，也不碍事。) 

　　另一个令人痛心的失败，是在1981年8月"旅行者2号"刚从土星背面出现(就地
球上看来)后就发生的，扫描平台发疯似的摇摆不定--在靠近土星的十分短暂时间
内指向各处，有时指向环，有时指向卫星或行星本身。突然，平台卡住了。扫描平
台卡住不动是一个使人急得发疯的困难处境：要知道航天器正在飞越从来没有看见
过的奇景，今后好几年或几十年我们将再也不能看见它们了，而漠不关心的飞船固
定不动地向外望着太空，什么也没有看到。 

　　扫描平台由带齿轮组的促动器驱动。因此喷气推进实验室工程师们起先在一次
模拟试验中使用一个同样的飞行促动器。它在转动348次后失灵了，而航天器上的
促动器转动了 　　352次后失灵。问题原来出在润滑失灵。知道这一点是好的，可
是怎样对付它呢?很清楚，无法给"旅行者号"追加一个加油器。 

　　工程师们考虑，他们用交替地加热和冷却的办法能否使失灵的促动器再次起动
呢?也许由此产生的热应力会引起促动器的部件以不同的速率膨胀和收缩，并使它
松动。他们在实验室里用特制的促动器来试验这个设想，于是兴高彩烈地发现，用
这个办法他们可以让扫描平台在空间重新起动。设计人员还想出办法及早地诊断促
动器失灵的任何别的迹象，因而有足够时间环绕这个问题开展工作。此后，"旅行
者2号"的扫描平台运作得完美无缺。由于这项工作，才有了在天王星与海王星系统
中拍到的全部图片。工程师们又赢得了一次胜利。 

　　"旅行者"1号和2号按设计都只用于探测木星系统与土星系统。它们的轨道确实
能让它们通过天王星及海王星，但是从来没有正式公开宣布过，把这两个行星也作
为"旅行者"探测的目标。这是因为原来投有预料到航天器会存在那样长的一段时间
。因为我们希望"旅行者1号"能够飞到土卫六这个神秘世界附近，受到土星引力影
响，它进人了一条再也不能碰到任何一个已知星体的飞行路线。飞越天王星和海王
星并取得辉煌成功的正是"旅行者2号"。这些星体离我们都很遥远，那里的太阳光
越来越暗淡，发回地球的无线电讯号也越来越微弱。这些都是意料中的事，但仍然
是喷气推进实验室工程师和科学家们所要解决的非常严重问题。 

　　由于天王星与海王星都很暗，"旅行者"的电视摄象机不得不作长时间的曝光。
但是航天器在飞驰[例如经过天王星系统时，它的速度约为每小时56 000千米
(35000英里)]，因此图象便会变得模糊不清。作为补偿，在曝光时间内整个飞船需
要转动来抵销这种运动，这就像你在一辆开动的汽车上拍摄街景照片时，向相反方
向转动镜头那样。这件事说起来容易，但实际上并非如此：你必须抵销最单纯的运
动。在失重的情况下，仅仅是飞船上的磁带记录仪的开动和停止都会使航天器轻轻
摇晃，并达到使图象模糊的程度。 

　　解决这个问题的办法，是给航天器上极为灵敏的小型火箭发动机(称为推进器
)发出指令，在每次收集数据过程的开始和结束时，推进器喷出一点气体，使整个
航天器稍微转动一点，这样就可补偿磁带记录仪的轻微摇晃。为了解决在地球上接
收的无线电讯号太微弱的问题，工程师们设计出一种新的、更有效的办法来记录和
传送资料，并把地上的各个射电望远镜用电子线路连接起来，这样可以提高灵敏度
。整个说来，用许多判据来评估，照相系统对天王星和海王星的运作，比起土星，
甚至木星都要好一些。 

　　"旅行者"的探测还没有结束。当然有可能某个至关紧要的子系统明天就会失灵
，但是就钚能源的放射性衰变来说，两个"旅行者"航天器大概一直到2015年都能向
地球送回资料。 

　 　　"旅行者"是一种有智慧的存在物--一部分是自动机械的人工智慧，一部分
是人的智慧。它把人的知觉扩展到遥远的星体。对于简单问题和短期任务来说，它
依仗的是自觉的智慧；但是对复杂问题与长期任务而言，它就须求助于喷气推进实
验室工程师们的集体智慧及经验。这种动向肯定还会发展。两架"旅行者"航天器体
现出20世纪70年代早期的技术。如果是在今天为同样使命设计太空飞船，它们就会
采用在人工智能、微型化、快速数据处理、自行诊断与修配的能力，以及从经验吸
取教训等方面的惊人进展，此外，它们还会便宜得多。 

　　就许多对人过于危险的环境来说--无论是在地球上还是在太空中，未来属于机
器与人的合作，而两个"旅行者号"可以认为是这方面的前例和先驱。在此不妨只提
到几个有潜力的应用领域：核事故、矿井灾难、海底探测与考古发掘、潜行到火山
内部以及家务劳动。对这些行业来说，有一支由灵巧的、机动的、紧凑的和听人指
挥的机器人组成的特种预备部队，来诊断和修配它们自身的故障，情况就大不一样
了。在不久的将来，这样的部队很可能会越来越多。

 　　由政府制造的任何东西都会成为一场灾难，这在现今已经是习以为常的看法
了。可是两个"旅行者号"航天器是由政府(还与同样吓唬人的学术界合作)研制的。
它们按价、按时制成，大大超过原来设计的规格以及研制人最美好的梦想。这些优
良的机器并不是要控制、威胁、伤害或者摧毁什么东西，它们代表我们本性中想寻
根究底的成分，想要自由自在地邀游太阳系和更遥远的太空。这种技术所发现的宝
藏属于世界各地的人民，可为全人类所利用。有人厌恶美国的大部分政策，也有人
赞同它的一切；但是近几十年来，美国的所作所为只有少数受到普遍一致的赞誉，
太空探测技术便是其中的一项。"旅行者号"从发射到与海王星会合，每一年只花费
每一个美国人不到一分钱。我认为对行星的探测，是我们不仅对美国，也是对全人
类做得最好的事情之一。 

　　 　 　 　㈠意即掩饰用的借口。--译者 

　㈡意即容易受到攻击的目标。--译者 

　㈢美国第三任总统(1743-1826)，于1801-1809年连任两届。--译者 

　㈣早老性痴呆。--译者

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