破解深空探测“先驱者号异常”之谜

东方红，太阳升，中国出了个毛泽东，他为人民谋幸福，他是人民的大救星，……。

难忘的1970年4月24日，我们中国的第一颗人造卫星“东方红一号”在酒泉卫星中心发射成功，并在运行轨道上播送《东方红》乐曲，同时也为中国进行深空探测奠定了基础。

深空探测是指脱离地球引力场，进入太阳系空间和宇宙空间的探测，其主要任务就是对太阳系的各个行星进行深入探测和天文观测，最终实现征服宇宙之人类进化最高境界，其意义之重大。

深空探测说起来简单，不就是发射脱离地球引力场的探测器吗，但这里却充满了挑战和风险，而最大的挑战和风险就是我们人类还没有真正理解宇宙，说具体点就是我们人类发射出去的探测器，比如先驱者（Pioneer）10号、11号以及尤利西斯（Ulysses）号等探测器，人们在进行轨迹跟踪后发现，这些探测器的运行轨迹明显偏离了根据万有引力算出的轨道，有关结果已经发表在1998年10月5日《物理学评论快报》第81卷和2002年4月15日《物理学评论D》第65卷等权威杂志上。.

这种探测器的运行轨迹明显偏离根据万有引力算出的轨道现象称之为先驱者号异常。

在探测器离地球越来越远时，研究人员首先注意到这个异常现象，因为他们观察到来自探测器的微波信号出现跳跃变化。在每个探测器的多普勒频波中研究人员都发现了未曾料到的振幅变化，而这种飞船的多普勒频波一向都比较稳定，它最终可能在漫无边际的太空旅行中摆脱地面人员的监控。可想而之，一个探测器在运行途中摆脱了地面人员的监控是多么地危险啊，为此，我们人类必须将这种“先驱者号异常”的发生机制彻底弄明白才能进一步进行深空探测历程。可见，破解深空探测“先驱者号异常”之谜对人类探索宇宙的历程是何等的重要。

仔细观察“先驱者号异常”问题发现，地面人员监控探测器的手段是靠接收来自探测器的微波信号的监视和发射微波信号去控制的，按照目前的理论，这些微波振幅除了多普勒效应引起的变化以外不应该出现跳跃变化。是什么因素引起微波振幅出现跳跃变化呢？为什么会出现这种现象呢？无数个为什么出现在人类深空探测的历程中。

其实，说“先驱者号异常”也并非异常，依据近日广西柳州市市民周坚发现的周坚红移定律进行解释这就是正常现象。

周坚红移定律告诉我们，在宇宙学尺度上，光（电磁辐射）的传播距离r与宇宙学红移z成正比，与宇宙学红移加1的和成反比，其中有一个为α的比例常数，称之为宇宙学红移常数，其数学表达式是r=z/α(z+1)，其中，r是单位为Mpc的光（电磁辐射）的传播距离，z是宇宙学红移，α是宇宙学红移常数，即α=0.00023683 /Mpc。在宇宙学红移很小很小的情况下，周坚红移定律就演变为r=z/α=cz/H₀，这就是哈勃定律的形式，但这里所指的红移是由光（电磁辐射）传播特殊行为引起的宇宙学红移而不是由光源运动引起的多普勒红移。

哈勃定律告诉我们，光源的退行速度与红移成正比，其数学表达式是υ=cz，其中，υ是单位为km/s的退行速度，c是光速，c=299792.458km/s，z是红移。

从探测器监控的角度来看，依据周坚红移定律和哈勃定律，在地球上人们监测到深空探测器的微波辐射信号的红移，其中包括两个红移项，其一是探测器远离地球的多普勒红移，其二是探测器微波辐射传播特殊行为的宇宙学红移。

设多普勒红移为z_D，宇宙学红移为z_Z，那么监控探测器微波辐射所观察到的红移就是z= z_D+z_Z，如果用退行速度的形式来表达就是υ=cz=c（z_D+z_Z），将周坚红移定律带入就是υ=cz=c（z_D+αr/（1-αr）），其中，υ是单位为km/s的退行速度，c是光速，c=299792.458km/s，z_D是多普勒红移，α是宇宙学红移常数，α=0.00023683 /Mpc，r是单位为Mpc的微波辐射传播距离。

仔细分析z= z_D+z_Z=z_D+αr/（1-αr）公式发现：

（1）当不考虑周坚红移定律的影响因素时，只要探测器远离地球的速度不变，那么被监控的微波辐射信号的红移就是恒定的，也就是说，来自探测器的微波振幅是稳定的，但实际上出乎人们的预料，来自探测器的微波振幅出现了跳跃变化，这就是“先驱者号异常”现象。

（2）当考虑周坚红移定律的影响因素时，已知探测器远离地球的速度还是不变，那么在被监控的微波辐射信号的红移中存在两部分红移，其一是探测器在远离地球时的多普勒红移z_D，其二是微波辐射传播特殊行为的宇宙学红移z_Z，由于宇宙学红移与距离是严格遵循周坚红移定律的，它是距离的函数，当距离很小很小的时候，宇宙学红移常数α与距离r的乘积非常小，以至于人们监控不到它的存在，当距离大到一定程度的时候，宇宙学红移常数α与距离r的乘积的影响就达到了有感觉的监控程度，以至于人们在监控中发现来自探测器的微波信号出现跳跃变化的“先驱者号异常”现象，其实它是正常现象。

现以先驱者10号为例进行说明。

假设它远离地球的速度是每小时48280公里，由这个远离地球的速度产生的多普勒红移z_D=υ/c=48280/60/60/299792.458=0.000044734651434，只要这个退行速度是恒定的，这个多普勒红移z_D就是恒定的，监控来自探测器的微波信号也就是稳定的（不考虑其它干扰）。

假设探测器处在距离地球50AU（天文单位）的位置上，由于1pc（秒差距）=206264.8AU，因此换算成兆秒差距的距离单位就是50/206264.8/1000000=2.424068×10^-10Mpc,依据周坚红移定律，这个距离上的宇宙学红移z_Z=αr/（1-αr）=0.00023683×2.424068×10^-10/（1-0.00023683×2.424068×10^-10）=0.000000000000057，这个宇宙学红移虽然只有5.7×10^-14，但由此产生了0.000000000000057×299792.458×60×60=0.000062km/h（公里/小时）的额外感觉视向速度（由于它不是真实的视向速度，因此用感觉来描述这个视向速度），将这个额外感觉视向速度与实际视向速度相加就导致我们监控到探测器在远离地球时的视向速度是48280.000062km/h，即观测速度比实际速度大了0.000062km/h。虽然这个观测速度比实际速度大了这么一点点，但它导致人们监控到探测器发回微波信号的红移z=υ/c=48280.000062/60/60/299792.458=0.000044734651491，它比实际的多普勒红移增大了0.000000000000057，这使人们监控到探测器发回的微波信号产生了跳跃式的变化，虽然这个跳跃变量非常小，但使我们监控到稳定微波信号的变化有所感知。

假设探测器处在距离地球100AU（天文单位）的位置上，换算成兆秒差距的距离单位就是100/206264.8/1000000=4.848137×10^-10Mpc,依据周坚红移定律，这个距离上的宇宙学红移z_Z=αr/（1-αr）=0.00023683×4.848137×10^-10/（1-0.00023683×4.848137×10^-10）=0.000000000000115，这个宇宙学红移虽然只有11.5×10^-14，但由此产生了0.000000000000115×299792.458×60×60=0.000124km/h（公里/小时）的额外感觉视向速度，将这个额外感觉视向速度与实际视向速度相加就导致我们观测到探测器在远离地球时的视向速度是48280.000124km/h，即观测速度比实际速度大了0.000124km/h。虽然这个观测速度比实际速度大了这么一点点，但它导致人们监控到探测器发回微波信号的红移z=υ/c=48280.000062/60/60/299792.458=0.000044734651549，它比实际的多普勒红移增大了0.000000000000115，这使人们监控到探测器发回的微波信号产生了跳跃式的变化，虽然这个跳跃变量非常小，但比在50AU位置上的跳跃变量整整大了1倍，使我们监控到稳定微波信号的变化更加有所感知。

对比距离从50AU到100AU的红移跳跃变化不难发现，人们监控探测器发回的稳定微波信号，由于周坚红移定律的存在，其所观测到探测器发回的稳定微波信号出现了必然的跳跃式的变化，而在100AU处的微波信号红移量的变化比在50AU处的微波信号红移量的变化跳变了11.5×10^-14-5.7×10^-14=5.8×10^-14，导致在100AU处所观测到的视向速度比在50AU处所观测到的视向速度增大了48280.000124-48280.000062=0.000062km/h，这就是所谓的“先驱者号异常”现象的产生机制，其实它是一种非常正常的自然现象，任何深空探测器只要它飞离地球足够远以后都会出现这种自然观测现象，其根源就是在宇宙大尺度上存在周坚红移定律这一基本物理规律。

人类发射先驱者号等探测器在飞出太阳系的过程中可以说做了有人类历史以来的最大规模的实验，虽然它们在即将冲出太阳系时遇到了失败，但由此发现了解释先驱者号异常现象发生的原因，认证了在宇宙大尺度上的新物理规律——周坚红移定律，这在物理学上具有重大的现实意义。周坚，周坚红移定律，于2009年3月定格在人类深空探测的历史中，“先驱者号异常”之谜由此获得破解。

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