Эффект «Пионера»
«Ваша теория безумна, но недостаточно
безумна, чтобы быть истинной».
Нильс Бор
«Новая научная истина торжествует не потому, что ее противники признают свою неправоту, просто ее оппоненты со временем вымирают, а подрастающее поколение знакомо с нею с самого начала».
Макс Планк
Думаю, что некоторые слышали об эффекте «Пионера» - наблюдаемое отклонение в траектории движения различных космических аппаратов от ожидаемой, как нам сообщает всезнающая Википедия. Но на самом деле не различных, а только одного. Это наблюдалось только для аппаратов «Пионер», которые по странному совпадению, были первой пробой пера НАСА в полетах к дальним планетам. Первые годы зонды двигались в строгом соответствии с расчетами, но впоследствии возникли странности - сами по себе ничтожные, но необъяснимые.
Этот эффект так и не был адекватно объяснен. Считается, что его смогли объяснить уже в XXI веке на 70%, что было признано как «достаточно хорошо» и на этом можно успокоиться. Виновником было признано тепловое излучение аппарата из-за неравномерного нагрева сторон, обращенных к Солнцу и противоположной стороны.
Пионер 10 был запущен с мыса Канаверал 2 марта 1972 года, Пионер 11 - через год и месяц, 5 апреля 1973 года. Уже в декабре 1973 Пионер 10 пролетел в окрестностях Юпитера и прислал фотографии самой крупной планеты Солнечной системы. 13 июня 1983 аппарат якобы пересёк орбиту Нептуна, который на тот момент был внешней планетой системы. Миссия продолжалась до конца марта 1997, но телеметрия якобы продолжала поступать до конца апреля 2002, когда космический аппарат находился на расстоянии 12 миллиардов километров от Земли (80 астрономических единиц). Последний раз очень слабый сигнал был зарегистрирован 23 января 2003 года.
«Аномалия Пионера» была обнаружена при обработке данных по доплеровскому слежению за аппаратами. Принимаемая частота сигнала, который излучался Пионерами, после вычитания влияния всех известных эффектов - притяжения Солнца, планет, астероидов, давления Солнечного света, межпланетных магнитных полей и так далее - увеличивалась с постоянной скоростью 6 наногерц в секунду. Это эквивалентно тому, что скорости аппаратов постоянно падали.
Впервые аномалия в полетной траектории зондов была обнаружена в 1980-х. К этому моменту зонды уже выполнили свою основную миссию. «Пионер-10» пролетел рядом с Юпитером в декабре 1973 года, уточнив при этом его массу и измерив магнитное поле. «Пионер-11» приблизился к планете ровно через год: в декабре 1974 года. Сделав подробные снимки, он отправился к Сатурну. В 1979 году аппарат передал на Землю изображения планеты и ее спутника Титана.
Учитывая, что эффект обнаружили в начале 1980-х, а якобы объяснить смогли только после 2010-х - это очень большое время для, казалось бы, вдоль и поперек изученной классической физики, по законам которой летают все космические аппараты в Солнечной системе. Были сообщения, что, после обнаружения расхождений, НАСА пыталось избавиться от распечаток траекторных данных Пионеров. Но ученые, работающие с НАСА, категорически воспротивились этому. Они увидели аналогию с неудачным опытом Майкельсона-Морли и потирали руки от предвкушения открытия новой физики XXI века, как это произошло за 100 лет до этого. Но никакой новой физики открыто не было, а расхождения в данных надо было на что-то списать. Тогда для объяснения аномалии «Пионеров» в Лаборатории реактивного движения Национального аэрокосмического агентства США была создана исследовательская группа. Ее возглавил выпускник физфака МГУ Вячеслав Турышев. Исследователям удалось построить математическую модель, которая якобы объясняет аномальное ускорение «Пионеров» по крайне мере на 70%. По их мнению, все дело в тепловых потоках, идущих от зонда в разные стороны. Расчеты якобы показали, что тепловой поток, излучаемый в направлении движения аппаратов, дает большую отдачу, чем идущий в противоположную сторону, то есть пересиливает его и вызывает эффект торможения.
Однако, на мой взгляд, есть гораздо более простое объяснение, основанное на нашем знании достоверной истории космонавтики XX века. Это банальная ошибка в расчетах моделирования полета межпланетных станций.
С какой проблемой столкнулось НАСА в начале 1970-х? После «фантастически успешной» (ударение на первом слове) программы Аполлон должно было последовать триумфальное продолжение: лунная база, пилотируемые полеты на Марс и освоение Солнечной системы. Но ничего этого реально не последовало. СССР дал понять, что пора заканчивать с лунными фокусами. Последними аккордами была фальшивая Скайлаб и Союз-Аполлон, которые выглядели весьма бледно на фоне сказочной лунной эпопеи, даже если бы НАСА реально выполнило свою часть программы совместного полета. Тогда и появился страшно неэффективный Спейс-шаттл, основное достоинство которого состояло в том, что он внешне выглядел эффектно на фоне скромных в размерах Союзов. Что еще? Готовилось виртуальное покорение Марса, когда почти каждый американский аппарат должен был триумфально примарсианиваться на красную планету, тогда, когда все остальные страны терпели бы неудачу. И похоже, что СССР был готов закрывать на это глаза. Также появилась идея роботизированного изучения дальних планет Солнечной системы, в то время как никакая другая нация даже сегодня и помыслить не может о такой фантастике. Все это должно было как-то отвлечь от регресса в пилотируемых полетах и обеспечить устойчивый поток финансирования НАСА и их смежников.
На этом фоне запускается пилотный проект «Пионеров», составной частью которого была вполне открытая часть симуляции полета, также как это было и в программе Аполлон, и как мы это уже знаем от инсайдеров. Что пошло не так? Случилось так, что Пионеры летали гораздо дольше запланированного и, видимо, возникла ошибка расчетов теоретической траектории Пионеров и ее отличие от реальной. "Реальная" это та, которая должна быть теоретически, согласно законам небесной механики, если бы Пионеры реально куда-то летели, а расчетная это та, которую получают инженеры НАСА, и которая выползает в данных с распечаток АЦПУ. Пионеры умерли задолго до их объявленной официальной гибели (также как и Вояджеры), но инженерам НАСА продолжали выдавать расчетную траекторию, которая была немного ошибочна, как я предполагаю, из-за выхода задачи из граничных условий, установленных группой ответственной за программу симуляции полета. Программу симуляции передали от разработчиков эксплуатантам, забыв, что она не была рассчитана на слишком длинный полет, либо в ней изначально сидела неучтенная погрешность, так как это был самый первый опыт таких виртуальных полетов. Вот и весь секрет.
Какого типа могла быть ошибка? Трудно сказать. Я могу выдвинуть одну гипотезу, впрочем, не претендующую на абсолютную истину. Учитывая большую длительность полета, на которую не была рассчитана программа симуляции полета, это могла быть накопившаяся ошибка конечной разрядности слова ЭВМ. В 1960-х в лаборатории реактивного движения для расчетов использовались ЭВМ IBM 7094. В конце 1960-х появились новые машины IBM 360, но я уверен, что поначалу полеты Пионеров все еще просчитывали на старых, т.к. не так просто портировать все программы и библиотеки на новую платформу. Инженерные расчеты в те годы проводили на языке программирования высокого уровня Фортран-2 у которого переменная с «плавающей» точкой (real) для IBM 360 имеет длину машинного слова 32 бита (single precision), а для IBM 7094 36 бит. Соответственно, двойная точность (Double Precision) это 64 и 72 бита. Много это или мало? Для одинарной точности для ЕС ЭВМ (советский клон линейки IBM 360) мантисса имеет 7 знаков (7,2), для двойной 17 (16,8). Инженерам, привыкшим считать на логарифмической линейке с 3 разрядами мантиссы, для обычных инженерных расчетов даже одинарной точности кажется с избытком. Но для задач численного моделирования часто даже двойная точность может быть не лишней. Могли ли инженеры НАСА так облажаться? Даже если не брать возможные изменения при портировании программы симуляции с IBM 7094 на IBM 360/370 и с Фортран-2 на Фортран-4, что неизбежно произошло в 1970-х, когда IBM 7094 были списаны, возможны и чисто человеческие ошибки. В доказательство расскажу такую историю.
Как-то раз в конце лекции по высшей математике наш профессор рассказал нам такую историю. Они как-то проводили расчеты на ЕС ЭВМ, которые тогда стали поступать в ВЦ советских ВУЗов, и обнаружили небольшое расхождение с теоретическими выкладками. Ошибка была небольшая, но она накапливалась. Исследование показало, что виновник - это конечная разрядность слова ЭВМ (32 бита), которое используется для хранения «плавающей переменной». Хвост мантиссы, все что длиннее 7 знаков, при вычислениях просто отбрасывается. Была сформулирована соответствующая теорема, но патентный поиск показал, что подобная теорема уже была сформулирована несколькими годами ранее. В чем мораль? Когда появляется новый инструмент, его возможности и ограничения не всегда ясны даже очень знающим специалистам и возможны ошибки.
Возможность появления ошибки усугубилась очень длинной программой полета и неизбежным переходом с одной вычислительной системы на другу, а также передачей программы от высококвалифицированных разработчиков, не догадывавшихся об истинном назначении их программы, к эксплуатантам-фальсификаторам, не знавшим всех тонкостей и ограничений симуляционной модели.
У аппаратов Вояджер-1 и Вояджер-2, чей профиль полёта схож с «Пионерами», эффекта отклонения не наблюдалось. Как объясняют адвокаты НАСА, отличие в том, что «у Вояджеров нужная ориентация обеспечивается малыми импульсами маневровых двигателей». Я же уверен, что эти гидразиновые движки давно мертвы, тефлоновая мембрана в баке давно порвалась, гелий улетучился и гидразин вытек. Объяснение в другом: фальсификаторы НАСА учли ошибку.
А как же исследовательская группа Вячеслава Турышева, днем и ночью работавшая над спасением престижа НАСА? Нисколько не сомневаюсь в их квалификации, они сделали, что смогли на 70% объяснив эффект. Я бы беспокоился, если бы они занимались этим в свободное от работы время из чистого интереса, как это сделал известный математик, доктор физико-математических наук М.В. Коробков из чистого любопытства решивший проверить длину теней на фотографиях НАСА якобы с Луны. В результате зазывалам НАСА пришлось срочно заниматься пожаротушением, изобретая наклон поверхности в месте якобы посадки Аполлона-11, о чем раньше никогда не сообщалось. Но так как группа Турышева работала за американские деньги, то они смогли закрыть глаза на явные нелепости математической модели, когда раз закрученный аппарат неправильной формы якобы в течение десятков лет сохраняет свое положение неизменным, а его ось никак не меняет ориентацию.
Нильс Бор
«Новая научная истина торжествует не потому, что ее противники признают свою неправоту, просто ее оппоненты со временем вымирают, а подрастающее поколение знакомо с нею с самого начала».
Макс Планк
Думаю, что некоторые слышали об эффекте «Пионера» - наблюдаемое отклонение в траектории движения различных космических аппаратов от ожидаемой, как нам сообщает всезнающая Википедия. Но на самом деле не различных, а только одного. Это наблюдалось только для аппаратов «Пионер», которые по странному совпадению, были первой пробой пера НАСА в полетах к дальним планетам. Первые годы зонды двигались в строгом соответствии с расчетами, но впоследствии возникли странности - сами по себе ничтожные, но необъяснимые.
Этот эффект так и не был адекватно объяснен. Считается, что его смогли объяснить уже в XXI веке на 70%, что было признано как «достаточно хорошо» и на этом можно успокоиться. Виновником было признано тепловое излучение аппарата из-за неравномерного нагрева сторон, обращенных к Солнцу и противоположной стороны.
Пионер 10 был запущен с мыса Канаверал 2 марта 1972 года, Пионер 11 - через год и месяц, 5 апреля 1973 года. Уже в декабре 1973 Пионер 10 пролетел в окрестностях Юпитера и прислал фотографии самой крупной планеты Солнечной системы. 13 июня 1983 аппарат якобы пересёк орбиту Нептуна, который на тот момент был внешней планетой системы. Миссия продолжалась до конца марта 1997, но телеметрия якобы продолжала поступать до конца апреля 2002, когда космический аппарат находился на расстоянии 12 миллиардов километров от Земли (80 астрономических единиц). Последний раз очень слабый сигнал был зарегистрирован 23 января 2003 года.
«Аномалия Пионера» была обнаружена при обработке данных по доплеровскому слежению за аппаратами. Принимаемая частота сигнала, который излучался Пионерами, после вычитания влияния всех известных эффектов - притяжения Солнца, планет, астероидов, давления Солнечного света, межпланетных магнитных полей и так далее - увеличивалась с постоянной скоростью 6 наногерц в секунду. Это эквивалентно тому, что скорости аппаратов постоянно падали.
Впервые аномалия в полетной траектории зондов была обнаружена в 1980-х. К этому моменту зонды уже выполнили свою основную миссию. «Пионер-10» пролетел рядом с Юпитером в декабре 1973 года, уточнив при этом его массу и измерив магнитное поле. «Пионер-11» приблизился к планете ровно через год: в декабре 1974 года. Сделав подробные снимки, он отправился к Сатурну. В 1979 году аппарат передал на Землю изображения планеты и ее спутника Титана.
Учитывая, что эффект обнаружили в начале 1980-х, а якобы объяснить смогли только после 2010-х - это очень большое время для, казалось бы, вдоль и поперек изученной классической физики, по законам которой летают все космические аппараты в Солнечной системе. Были сообщения, что, после обнаружения расхождений, НАСА пыталось избавиться от распечаток траекторных данных Пионеров. Но ученые, работающие с НАСА, категорически воспротивились этому. Они увидели аналогию с неудачным опытом Майкельсона-Морли и потирали руки от предвкушения открытия новой физики XXI века, как это произошло за 100 лет до этого. Но никакой новой физики открыто не было, а расхождения в данных надо было на что-то списать. Тогда для объяснения аномалии «Пионеров» в Лаборатории реактивного движения Национального аэрокосмического агентства США была создана исследовательская группа. Ее возглавил выпускник физфака МГУ Вячеслав Турышев. Исследователям удалось построить математическую модель, которая якобы объясняет аномальное ускорение «Пионеров» по крайне мере на 70%. По их мнению, все дело в тепловых потоках, идущих от зонда в разные стороны. Расчеты якобы показали, что тепловой поток, излучаемый в направлении движения аппаратов, дает большую отдачу, чем идущий в противоположную сторону, то есть пересиливает его и вызывает эффект торможения.
Однако, на мой взгляд, есть гораздо более простое объяснение, основанное на нашем знании достоверной истории космонавтики XX века. Это банальная ошибка в расчетах моделирования полета межпланетных станций.
С какой проблемой столкнулось НАСА в начале 1970-х? После «фантастически успешной» (ударение на первом слове) программы Аполлон должно было последовать триумфальное продолжение: лунная база, пилотируемые полеты на Марс и освоение Солнечной системы. Но ничего этого реально не последовало. СССР дал понять, что пора заканчивать с лунными фокусами. Последними аккордами была фальшивая Скайлаб и Союз-Аполлон, которые выглядели весьма бледно на фоне сказочной лунной эпопеи, даже если бы НАСА реально выполнило свою часть программы совместного полета. Тогда и появился страшно неэффективный Спейс-шаттл, основное достоинство которого состояло в том, что он внешне выглядел эффектно на фоне скромных в размерах Союзов. Что еще? Готовилось виртуальное покорение Марса, когда почти каждый американский аппарат должен был триумфально примарсианиваться на красную планету, тогда, когда все остальные страны терпели бы неудачу. И похоже, что СССР был готов закрывать на это глаза. Также появилась идея роботизированного изучения дальних планет Солнечной системы, в то время как никакая другая нация даже сегодня и помыслить не может о такой фантастике. Все это должно было как-то отвлечь от регресса в пилотируемых полетах и обеспечить устойчивый поток финансирования НАСА и их смежников.
На этом фоне запускается пилотный проект «Пионеров», составной частью которого была вполне открытая часть симуляции полета, также как это было и в программе Аполлон, и как мы это уже знаем от инсайдеров. Что пошло не так? Случилось так, что Пионеры летали гораздо дольше запланированного и, видимо, возникла ошибка расчетов теоретической траектории Пионеров и ее отличие от реальной. "Реальная" это та, которая должна быть теоретически, согласно законам небесной механики, если бы Пионеры реально куда-то летели, а расчетная это та, которую получают инженеры НАСА, и которая выползает в данных с распечаток АЦПУ. Пионеры умерли задолго до их объявленной официальной гибели (также как и Вояджеры), но инженерам НАСА продолжали выдавать расчетную траекторию, которая была немного ошибочна, как я предполагаю, из-за выхода задачи из граничных условий, установленных группой ответственной за программу симуляции полета. Программу симуляции передали от разработчиков эксплуатантам, забыв, что она не была рассчитана на слишком длинный полет, либо в ней изначально сидела неучтенная погрешность, так как это был самый первый опыт таких виртуальных полетов. Вот и весь секрет.
Какого типа могла быть ошибка? Трудно сказать. Я могу выдвинуть одну гипотезу, впрочем, не претендующую на абсолютную истину. Учитывая большую длительность полета, на которую не была рассчитана программа симуляции полета, это могла быть накопившаяся ошибка конечной разрядности слова ЭВМ. В 1960-х в лаборатории реактивного движения для расчетов использовались ЭВМ IBM 7094. В конце 1960-х появились новые машины IBM 360, но я уверен, что поначалу полеты Пионеров все еще просчитывали на старых, т.к. не так просто портировать все программы и библиотеки на новую платформу. Инженерные расчеты в те годы проводили на языке программирования высокого уровня Фортран-2 у которого переменная с «плавающей» точкой (real) для IBM 360 имеет длину машинного слова 32 бита (single precision), а для IBM 7094 36 бит. Соответственно, двойная точность (Double Precision) это 64 и 72 бита. Много это или мало? Для одинарной точности для ЕС ЭВМ (советский клон линейки IBM 360) мантисса имеет 7 знаков (7,2), для двойной 17 (16,8). Инженерам, привыкшим считать на логарифмической линейке с 3 разрядами мантиссы, для обычных инженерных расчетов даже одинарной точности кажется с избытком. Но для задач численного моделирования часто даже двойная точность может быть не лишней. Могли ли инженеры НАСА так облажаться? Даже если не брать возможные изменения при портировании программы симуляции с IBM 7094 на IBM 360/370 и с Фортран-2 на Фортран-4, что неизбежно произошло в 1970-х, когда IBM 7094 были списаны, возможны и чисто человеческие ошибки. В доказательство расскажу такую историю.
Как-то раз в конце лекции по высшей математике наш профессор рассказал нам такую историю. Они как-то проводили расчеты на ЕС ЭВМ, которые тогда стали поступать в ВЦ советских ВУЗов, и обнаружили небольшое расхождение с теоретическими выкладками. Ошибка была небольшая, но она накапливалась. Исследование показало, что виновник - это конечная разрядность слова ЭВМ (32 бита), которое используется для хранения «плавающей переменной». Хвост мантиссы, все что длиннее 7 знаков, при вычислениях просто отбрасывается. Была сформулирована соответствующая теорема, но патентный поиск показал, что подобная теорема уже была сформулирована несколькими годами ранее. В чем мораль? Когда появляется новый инструмент, его возможности и ограничения не всегда ясны даже очень знающим специалистам и возможны ошибки.
Возможность появления ошибки усугубилась очень длинной программой полета и неизбежным переходом с одной вычислительной системы на другу, а также передачей программы от высококвалифицированных разработчиков, не догадывавшихся об истинном назначении их программы, к эксплуатантам-фальсификаторам, не знавшим всех тонкостей и ограничений симуляционной модели.
У аппаратов Вояджер-1 и Вояджер-2, чей профиль полёта схож с «Пионерами», эффекта отклонения не наблюдалось. Как объясняют адвокаты НАСА, отличие в том, что «у Вояджеров нужная ориентация обеспечивается малыми импульсами маневровых двигателей». Я же уверен, что эти гидразиновые движки давно мертвы, тефлоновая мембрана в баке давно порвалась, гелий улетучился и гидразин вытек. Объяснение в другом: фальсификаторы НАСА учли ошибку.
А как же исследовательская группа Вячеслава Турышева, днем и ночью работавшая над спасением престижа НАСА? Нисколько не сомневаюсь в их квалификации, они сделали, что смогли на 70% объяснив эффект. Я бы беспокоился, если бы они занимались этим в свободное от работы время из чистого интереса, как это сделал известный математик, доктор физико-математических наук М.В. Коробков из чистого любопытства решивший проверить длину теней на фотографиях НАСА якобы с Луны. В результате зазывалам НАСА пришлось срочно заниматься пожаротушением, изобретая наклон поверхности в месте якобы посадки Аполлона-11, о чем раньше никогда не сообщалось. Но так как группа Турышева работала за американские деньги, то они смогли закрыть глаза на явные нелепости математической модели, когда раз закрученный аппарат неправильной формы якобы в течение десятков лет сохраняет свое положение неизменным, а его ось никак не меняет ориентацию.