我在20世纪60年代早期的太空竞赛中，美国和苏联的科学家都不知道像火星或金星这样的行星在哪里——尤其是在对宇宙飞船导航至关重要的精确性和精确度方面。这听起来有点可笑。他们当然知道约像金星这样的目标在宇宙飞船到达后会在哪里。但在这种情况下，“粗略”可能是1万或10万公里的偏移。行星的位置，它们的星历，依赖于它们的轨道在一段时间内以极高的精度校准。但是，唯一正确的方法是直接测量，就像古代的水手需要沿着岛屿或海岸线航行，才能确定它的纬度和经度一样。
1961年初出现了一个臭名昭著的例子。从苏联发射金星1号探测器开始，向金星发射探测器的计划正在进行中。苏联和美国的科学家竞相确定金星的位置，并利用它来完善天文单位——当时的定义是地球中心到太阳中心的平均距离。(从金星反射雷达信号是一种从地球反射雷达信号的方法。)几个月后，苏联自豪地宣布他们改进了金星天文单位的测量方法。但美国人很快就发现，这与他们自己基于雷达的测量结果相差约10万公里，于是兴高采烈地嘲笑苏联人，说他们可能发现了一颗新行星。1
假设我们所谓的现实是固定的，这是令人欣慰的。它很少。
在是什么,回想起来,一些反常的运气(科学家们想避免过早退休),苏联probe-scheduled飞过金星在测距宣布已经遭受了一系列的侮辱,包括失败的热控制和姿态控制失败。虽然它很可能经过了金星附近的某个地方，但我们永远不知道它到底偏离了多少，因为在那一点上，与探测器的所有通信都停止了。
但如果把金星放错位置，后果将是灾难性的。金星1号可能错过了太多的信息，无论如何也不会获得任何有用的数据，或者它可能撞向地球，造成了不体面的破坏。不出意料的是，有了这些惨痛的教训，科学家们已经汗流浃背地把太阳系天体的蜉蝣弄得越来越准确。然而，即使有了巨大的改进，精确定位宇宙飞船及其行星目标的基本问题仍然没有解决。从某种意义上说，它变得更加尖锐。
T如今，加州的喷气推进实验室是蜉蝣的守护者之一。它提供了我们认为的行星、卫星、彗星、流星流和小行星的位置的精心策划和不断更新的数据。一种农民的年鉴行星探索。但我们走得越远，我们的目标就越奇异，挑战也就越大。
一项雄心勃勃的计划正在起草中，该计划计划将搭载轻型帆、由强大的激光推进的微型“纳米飞行器”一直送到半人马座阿尔法星系。2它距离我们有4光年远，需要至少20年的时间，以光速的20%，也就是大约每小时1.34亿英里的速度运行。在另一个恒星系统的正确时间到达正确的地点，这个问题比到达我们自己遥远的外部世界，比如冥王星，要严重得多。和到达冥王星很困难足够了。
美国国家航空航天局的新视野号探测器于2006年以破纪录的速度发射升空，在木星的引力帮助下向冥王星发射了9年多，距离近50亿公里。3.利用地球上的望远镜测量和冥王星轨道运动的复杂计算机模型，我们可以确定它在天空中的位置，精确度约为0.00014度。不过，冥王星离我们太远了，这种适度的不确定性转化为约1.3万公里的位置误差，足以严重阻碍近距离飞越。更复杂的是，宇宙飞船在其轨道上经历了难以预测的漂移，这是由于充满钚的发电机产生的不均匀热辐射所产生的超凡力量。
“新视野号”终于在2015年7月实现了这一目标，这让科学家们松了一口气。从发射到抵达，科学家们在生命中等待了相当长的一段时间。经过精心选择的分离距离，它以大约12500公里的速度掠过冥王星。最后，要让“新视野号”在接近正确路径的任何地方掠过冥王星及其附属卫星，需要用探测器自己的相机进行细致的位置测量和航向修正，还要有很大的耐心。
你的未来可能会是太阳系不稳定，将行星抛向太阳。
现在将冥王星与半人马座最近的一颗红矮星比邻星进行比较。它相对于太阳运动的总速度我们知道大约是32.19千米/秒。但是这个最不重要的数字是每秒0.01公里，这意味着在长达20年的600多万公里的任务中所积累的原始位置的不确定性。那就是恒星——一个明亮的、相对容易研究的物体。系统中的行星将比现在暗十亿倍，也更难确定。与“新视野号”一样，星际探测器可能也要追踪自己的目标。他们将不得不自主完成，因为与地球的通信将需要数年的时间。
微型航天器是否能够携带必要的计算工具或感知和操纵能力来实现这一点，还有待观察。明亮的恒星本身可能是最好的标记，与我们的太阳一起形成了导航灯塔。从小型微型脉冲激光二极管可以提供推力回旋余地,也许关键是要发送数百,甚至数千人,nanocraft,每个与适度的AI和互相学习的能力,达到他们的目标在时间和空间上通过大规模冗余和很多的牺牲。但当你试图用另一颗飞行的子弹捕捉一颗飞行的子弹时——无论是恒星还是行星——事情可能会出错。
我不难认识到，跨越数千公里或数百万公里的位置不确定性对探险家来说可能是个问题。显然，试图超越我们熟悉的范围，会对我们绘制物质现实的能力提出一些不可原谅的要求。但这些例子也揭示了我们对世界的看法，以及我们是如何编撰和与世界互动的。
奇怪的是，围绕轨道运行的恒星和行星有一些基本的物理特性，它们取决于非常非常小的位置不确定性，可以相当确切地决定整个系统的生存。这一现象的根源在于引力物体之间的动力学混乱现象，天体运动的不稳定性和不可预测性虽然令人困惑，但在数学图表上却可以显示出来。虽然自19世纪80年代以来，混沌就被人们所认识，但直到20世纪80年代，研究人员才开发出专门建造的计算机，来精确模拟太阳系行星的引力驱动运动。模拟揭示了我们生活的空间有多混乱。
事实证明，如果你追踪太阳系中物质在数千万到数十亿年的时间里的运动，像水星这样的行星的位置在毫米级上的变化就会产生完全不同的结果。你的未来可能是相对平静的轨道，也可能是太阳系内部不稳定的轨道，将行星抛向太阳或逃逸到星际空间的轨道上，甚至将各个世界置于相互碰撞的轨道上。4
如此微小的变化会导致如此截然不同的结果，这让大多数希望世界上有一些可预测性的人感到不适。这说明了我们作为一个物种所面临的一些问题。假设我们所谓的现实是固定的，或者至少是可预测的，在变化中，这是令人欣慰的。它很少。
在把机器送到其他世界，甚至是其他恒星的过程中，我们别无选择，只能完全承认我们的不准确和不准确，完全地、残酷地诚实对待我们对外面世界的有限把握。甚至自然法则都是基于完全不完善的测量而得出的推论，无论是行星轨道和重力，还是逻辑和代数中的符号操作——后者是通过人类的头脑和这些头脑产生的机器来“测量”的。令人惊讶的是，这些定律让我们能够很好地建模和预测物理世界的各个方面，数千年来，这种能力一直让我们放心，并帮助我们。我们已经设法扭转了这个问题，现在我们可以预测自然界将会发生的各种混乱，从不稳定的天气情况和不稳定的股票市场当然是行星。
这就是为什么诚实面对局限性是一件美好的事情。它使我们能够找到跨越空间、时间和理解边界的方法。20世纪60年代的火箭科学家们抓住了金星和其他星球的位置，他们在某些方面是先驱者，甚至他们自己都没有意识到这一点。他们不只是越过虚空，试图找出难以置信的滑溜溜的东西。它们让我们看到了我们称之为现实本身的基本本质。
凯莱布·沙夫(Caleb Scharf)是一名天体物理学家，纽约哥伦比亚大学(Columbia University)天体生物学主任，也是研究人类和机器意识的机构yhousenyc.org的创始人。他的新书是可缩放的宇宙:宇宙尺度的史诗之旅，从几乎一切到几乎一无所有。在推特上关注他@caleb_scharf。
脚注
1.描述来自ulvi P. & Harland D.M.太阳系的机器人探索:第一部分:1957-1982年的黄金时代Springer-Praxis，纽约，纽约(2007)。
2.在“摄星”计划中，向半人马座阿尔法星发射微型飞船的大胆计划。麻省理工学院技术评论（2019）.
3.史上最快的宇宙飞船?《生活》，Unbounded blogs.scientificamerican.com(2013)。
4.李志刚，李志刚。关于太阳系的动力学稳定性。《天体物理学杂志》上683, 1207 - 1216(2008)。
主导图像:在这幅艺术家的渲染图中，新视野号飞船正以每小时31000英里的速度在太空中飞驰，准备为飞越冥王星收集数据。来源:NASA / APL / SwRI
