第4章 在更完美的世界边缘 公差0.0000001(10-7).7
图7-4 哈勃望远镜的主反射镜
注：哈勃望远镜上直径8英尺的主反射镜在珀金埃尔默公司的绝密设施里进行抛光。然而，主反射镜上有一个被忽视的极微小的测量误差，足以使哈勃望远镜传回地球的大部分图像变得模糊，变得几乎毫无用处。
然而，这些小心翼翼的测试人员偶尔也会犯错误，或者更确切地说，他们给机器下达了错误的指令，然后机器按照指令把这些错误变成了更大的问题。一个熟练的镜面加工技师仅仅靠着拇指沿着镜面转动，就能测出镜面平整程度的时代早已一去不复返了，现在这种测量都是由机器来完成的。一天，丹伯里市操作加工设施的一位工程师原本应在系统中录入0.1，结果却把数字1.0输入了终端，接到指令的机器毫不犹豫地凿了下去，而工程师只得惊恐地看着磨具开始在玻璃侧面凿出一个沟槽来。幸运的是，有一个检查技师站在旁边，手里握着一个紧急终止开关。他在第一时间注意到了刚刚出现的凿痕，并立即停止了打磨加工，但是玻璃上凿下的缺损从未被完全修复。这个缺损已经被打磨到了一定的程度，并留下了适度的标识，只要让天文学家知晓这个缺损，那么操作望远镜的天文学家便可以针对性地采取应对措施。
最致命的错误是在实验室里犯下的，而且这并不是一个微不足道的错误。即使镜面的平整程度和表面的弧度是严格按照要求一丝不苟地打磨出来的，可对镜面进行测量的参照物却是错误的。丹伯里市操作加工设施的工作人员居然没有意识到：他们使用的测量工具的长度，并不是他们以为的那个长度。他们使用的测量工具是一种类似于直尺的仪器，据说，每个使用这个工具的工作人员都以为它只有1英尺（12英寸）长，但实际上它有13英寸长，却从来没有人发现。被蒙在鼓里的工程师，拿着错误的工具尽心尽力地对其测量和校准，然后努力追求完美的质量，结果只能事与愿违，最终导致了哈勃望远镜的反射镜极度失焦。
工程师用来测量反射镜镜面的工具是一种业内人士熟知的设备，叫作“零校正器”（见图7-5）。那是一个啤酒桶大小的金属筒状仪器，里面装着一对镜子和一个镜头。激光会先后投射到仪器内的两个反射镜上，然后透过仪器到达反射镜的抛光表面上，最后传回校正器内的透镜之中再发射给检测器。如果光线最终以正确的方式到达，则说明抛光是完美的，这时入射光和回射光将匹配，波长也不会发生变化，并在检测器中产生成平行直线的图样。如果镜子不是理想的形状，或者平滑度不足，那么光波就会相互干扰，检测器就会展现出受到干扰时的结果。“零校正器”是一种造价上百万美元的专业测量装置，本质上是一种干涉仪，如果设置得当，这种装置将能够协助镜面进行精确的测量，测量时能检测出回射光线微弱的差异。
图7-5 零校正器
注：谁也想不到一块磨损的油漆和三个小小的垫圈，竟是导致哈勃望远镜主反射镜失准的罪魁祸首。这些细节问题导致零校正器输出参数失准，进而导致哈勃望远镜的主反射镜的形状也产生了错误。
具体来说，零校正器内的两个反射镜中，靠下的那个反射镜与其底部透镜之间的距离是需要进行精确测量的，这是保证零校正器自身精确的关键，但在丹伯里市的那台校正器中，这段距离却恰恰不精确，而这个问题的发生，却源于一个最简单、最寻常甚至是最显而易见的错误。
为了设置零校正器下反射镜和底部透镜之间的距离，需要1根长度精确的金属棒，因此要先制作、测量并切割3根这样的金属棒（2根作为备件），这些金属棒由热膨胀系数非常低的殷瓦合金制成。将其中一根金属棒安装在零校正器内，并且用激光来校验距离。然后，一名技术人员使用特制的显微镜和激光干涉仪，把透镜调整到合适的距离上，使之最终可以正常地发挥功效。这是一项棘手的工作，但并不是不可能完成的。为了让这项工作更具有可操作性，技术人员在金属棒的顶部安装了一个特殊的导向盖，盖上有一个与激光束大小相同的孔，便于指示激光器应该瞄准的位置，辅助技术人员用激光准确命中金属棒的一端。
关键的一点是，为了避免误导技术人员，导向盖上覆盖了一层阻止激光反射聚焦的涂层，以确保激光无法聚焦在导向盖上，而只要激光能够聚焦，那就一定是精确地从导向盖上的小孔中命中了金属棒的一端。结果，导向盖上的涂层已经磨损了，虽然只是一小部分，但还是成功导致了激光聚焦，并反射了回来，所以技术人员测量的长度就不仅仅是金属棒的长度，而是涵盖了导向盖这一部分的长度，而导向盖的表面，正好比金属棒的顶端高出1.3毫米，所以激光干涉仪测量出来的距离也就毫无准确度可言了。
激光干涉仪测出的错误数据也给技术人员带来了麻烦，原本技术人员应把透镜安装在与激光器相对应的位置上，而现在固定镜头用的支架突然因为这个错误莫名地多出了1.3毫米，因此，为了让干涉仪正常工作，技术人员就需要想方设法把这个支架降低1.3毫米，然而因为工期的缘故，已经没有时间再定制一个新的支架了。
不过“足智多谋”的技术人员很快就有了解决问题的办法。他们把3个家用垫圈放入零校正器中，这样就把透镜相对降低了1.3毫米。他们之所以这样操作，就是因为都知道激光的读数不可能出错，激光非常精确，毋庸置疑。激光测量的结果便是绝对的权威，激光仪器铁面无情但准确可靠。于是，技术人员找了3个垫圈，用锤子把它们砸平，做成一个1.3毫米高的小夹层，垫在镜头的上方，就这样，这些组件之间的相对位置就恢复了正常。
虽然哈勃望远镜的加工称得上是极度精密，工程师对待每个组件宛如镶嵌在皇冠上的宝石，但遗憾的是，正如前文所描述的那样，工程师参照的是一个有着严重缺陷的零校正器。看上去，技术人员把这台零校正器放在望远镜镜子上方的位置，并利用这台电子设备精密的特性，让工程师对反射镜进行了多次测量，最终使哈勃望远镜的主镜在尺寸、形状和配置上，完全符合了NASA的要求。
然而事实并非如此。虽然从这台零校正器的测量结果来看，反射镜是准确无误的，但不幸的是，零校正器本身是失准的。NASA之所以能在调查中发现这个问题并查明原因，正是因为制造商珀金埃尔默公司把这台失准的零校正器原封不动地留在了实验室里，并且实验室也在后续的近10年中没有发生什么变化，保持了当年对镜子进行最终测量时的样子。而这台失准了的校正器自然也导致了严重的后果：由于校准时金属杆顶部的微小误差，零校正器在后续使用中，在校准主反射镜形状的时候产生了误差，使得主反射镜的边缘部分比理想状态中更加平滑了一点，尽管这一点只有2.2微米那么多，这就是广为流传的“导致哈勃望远镜失准的，是一个只有人头发丝直径的1/50的误差”这个说法的来源。从字面意义上看，这确实是一个微小的错误，但它足以导致1990年夏天的时候，哈勃望远镜从太空传回来的大量图像，全部成了没有用的残次品，而哈勃望远镜本身也成了笑话。
“如果你在发射的前一天晚上，在肯尼迪航天中心的卡拉维尔角上，对所有工程师和科学家进行调查，统计他们认为哈勃望远镜在上天一段时间之后最有可能出现问题的十大组件，”爱德华·韦勒说，“我敢拿我的房子做赌注，工程师会指出这个或那个系统失灵，但是没有工程师会把‘反射镜的形状失准，因此反射镜会出现极大的球差’这种情况列在前10名的名单里。根本没有人会担心这一点，因为光学专家向我们保证，我们拥有人类有史以来最完美的反射镜。”
事实上，从校正器的角度来看，那的确是有史以来最完美的反射镜，但是校正器本身却是灾难性失准的。
最长的3秒钟
古谚有云：“因为少了一个铁钉……最终失去了一个国家。”在这种情况下，仅仅是因为矫正用的金属棒的盖子上少了一块油漆，加上一群饱受精密加工折磨却又粗心大意的技术人员，再加上因预算拮据而想方设法省钱的管理人员……这一系列因素最终导致了恶果。当然，这些失误并没有导致亡国这样恶劣的后果，但随之而来的是一系列风波，以及为了挽救哈勃望远镜而进行的冒险，还有不可避免地为了维修望远镜而花费纳税人更多的钱。
因为哈勃望远镜得到了及时的修理，并且修复得十分成功，所以到后来，哈勃望远镜成为一款硕果累累的科学仪器。可以说哈勃望远镜在观测中获得的成果之丰富，使得它成为有史以来在学术研究中被引用最多、最有价值的科学仪器之一。因为哈勃望远镜的存在，天文学家可探索的宇宙范围拓展到了前辈们做梦都想不到的程度。在众人的努力下，哈勃望远镜的问题终于解决了，它的缺陷得到了弥补。然而，从修复再到取得成果，这一切都顺利得令人难以置信，一如当初哈勃望远镜出了那么多不可思议的大问题一样。哈勃望远镜的修理工作必须在太空中进行，毕竟不可能再把它带回地球表面来修理。从理论上讲，通过加装起到矫正作用的附加光学系统，应该能解决哈勃望远镜所存在的主要问题。这个过程就像为一个严重近视的人戴上一副隐形眼镜，或者通过准分子激光手术把他的近视眼治好。然而，无论采用哪种技术手段，对哈勃望远镜这样的设备进行修复都是非常困难的。望远镜的内部十分狭窄，里面塞满了各种仪器和管线，要让一个宇航员穿着笨重的舱外航天服，吸着有限的氧气，拿着扳手和螺丝刀“游”到望远镜里面，把背在身上的一套新的光学矫正器装到望远镜上，无论如何都是一项非常困难和具有挑战性的工作。
后来，一名工程师解决了另一个核心问题。据说那个工程师在德国南部慕尼黑附近山区里的一家宾馆的浴室里洗澡时，突然想到了这个问题的解决方案。
这个工程师名叫吉姆·克罗克(Jim Grocker)（见图7-6）。当时，他正好是哈勃望远镜项目中的一名高级光学工程师。当他得知哈勃望远镜出现严重问题时，他也和其他工作人员一样深受打击。克罗克像大多数赶赴德国，参加欧洲航天局主办的、为了应对危机的研讨会当中的每一名与会人员一样，都在努力寻求解决哈勃望远镜故障的方法。克罗克对维修哈勃望远镜这个课题十分痴迷。而此时，为了解决哈勃望远镜的问题，还需要一种能将矫正光学元件、矫正透镜及矫正反射镜插入对应位置的方法。在找到这种方法之前，是无法把校正装置放在主反射镜前面，抑或是主反射镜和副反射镜之间的，因为即使是NASA最苗条的宇航员也无法进入主反射镜的管道中。而且为了让计划可行，即使是安装最少校正装置的方案，也需要在至少4个不同的地方安装矫正装置，这些装置都安装在哈勃主反射镜后的太空探测器里。但是如何把矫正设备放进去呢？这似乎是个不可能完成的任务。
图7-6 吉姆·克罗克
注：吉姆·克罗克在德国的酒店里洗澡时，意识到一种类似于德国淋浴的喷头架的装置，可以用来检测或者安装哈勃望远镜管内的光学元件，并对其进行维修或更换。NASA接受了这个方案，并把对应装置送上了天，从而使这台广受关注的望远镜得到了全面且及时的修复。
研讨会结束后，克罗克洗了个澡，一个人沐浴在温热的水流下沉思，漫不经心地盯着一个德国常见的淋浴器上的部件看，那个部件因为镀了铬，在热气升腾的浴室中闪闪发光。随后，他又洗了一次澡，而这次洗澡是专门为了观察这个部件的结构和原理。
淋浴喷头被固定在一根1英寸厚的垂直方向的金属杆上，金属杆上有一个可以滑动的夹钳，夹钳是用来固定喷头的，喷头本身可以随着夹钳升降并固定在特定位置上，以满足不同身高和需求的客人。此外，随着夹钳上下移动，淋浴头本身也可以上下左右进行旋转角度的调整，这样淋浴者就可以冲洗头部、肩膀以及身体其他地方。打扫卫生的时候，旅馆的女佣会把淋浴喷头拉到金属杆的底部，并把喷头往里推，使喷头与墙平行。而克罗克使用喷头的时候，不得不把喷头拉到滑杆的顶部，因为他个头很高，为了洗头必须这样调整，然后再把淋浴头喷头向外拉，这样水就可以从上往下喷到他的头发上。
“为什么我们不能在维修哈勃望远镜的时候也采用这样一个可以滑动和展开的支架呢？”克罗克一边洗澡一边沉思着，他设想把望远镜的校正光学元件装到这样一根杆子上，然后把这些元件折叠起来，当这些元件伸到正确的位置时，元件就会自动展开并发挥作用，就像淋浴头一样，从而完成修复工作。
哈勃望远镜携带了5个主要的仪器包，因此就一共需要5个维修装置，我们姑且用“淋浴头”这个词来称呼维修装置。事实上，制造5个“淋浴头”并不比制造1个困难。每一个“淋浴头”的功能都相同：远方的星光先入射到主反射镜上，然后反射到副反射镜上，此时光束将会穿过主反射镜的镜孔，并在主反射镜后面成像，但是由于主反射镜存在瑕疵，因此主反射镜后面承接星光的科学仪器的位置便不再理想，出现了类似于近视眼的情况，而此时矫正装置会干预从副反射镜反射回来的光线，使科学仪器承接的星光重新变得清晰，就像佩戴了一副隐形眼镜一样。经过这样的调整，再重新配置驱动程序、更新科学仪器算法，然后重新聚焦，这样一来，进入哈勃探测器的各种来自远方的星光成的像，就会像反射镜从来没有出过问题一样，完美而清晰。
克罗克的方案似乎是一个简单实用的方案，正在研究如何修理哈勃望远镜的工程师立刻同意了这个方案。大家都迅速投入“淋浴头”的设计制造工作之中，但这种装置将携带一系列微小的矫正镜进入太空。这些矫正镜只有10美分硬币到25美分硬币那么大，而不是真的像传统的“淋浴头”那么大。
事实上，他们确实这样做了。这个装置被命名为COSTAR，全称“空间望远镜轴向光学矫偿套件”。之所以称之为“轴向”，是因为这个部件正好部署在主反射镜后面，作用于在望远镜轴线方向上传播的光束。从基本属性的角度来讲，这个光学套件只是一个电话亭大小的容器，其规格与哈勃望远镜上已经配备的部分仪器完全相同，因此，哈勃望远镜上配备的4个轴向探测器中最不重要的一个——高速光度计就必须被卸下来，给矫正套件腾位置。为了把内置折叠好的矫正光学设备的盒子部署到位，只能牺牲高速光度计，因此可以预见的是，光度计生产公司经理大呼小叫地抱怨。
当确定好解决方案后，工程师蜂拥而至，很多人都亲自参与了空间望远镜轴线光学矫偿套件的制作，这套补偿系统一共有10面矫正镜，这10面镜子都做得恰到好处，不过这10面镜子的展开方式不像克罗克设想的类似于淋浴头那样单向向外旋转。真正投入维修使用的支架是一个塔形的装置，而矫正镜就在“塔”尖上，然后从塔尖向外辐射，水平方向相对位置的误差必须控制到至少百万分之一米的程度，以便能够正确承接哈勃望远镜从现有的两个反射镜传导而来的光线。
还有一个关键的问题是，如何确保射向轴向科学仪器的反射光束不会影响到另一组射向另一个仪器的光束，同时又要确保这组光束最终都射向科学仪器里，而不是射向哈勃望远镜轴向的底部。哈勃望远镜起初携带的部分科学仪器被计划更新的设备取代，这些仪器要么是因为自身问题出现了故障，要么是被主反射镜相关的问题拖累了，比如这台在帕萨迪纳喷气推进实验室建造的耗资巨大的广域行星相机。它看起来像切下来的一小块蛋糕（虽然这个“蛋糕”有一台大钢琴那么大），在哈勃望远镜的弯曲面以开槽的方式插入哈勃望远镜主体之内。在计划用航天飞船进行5次哈勃望远镜的维修作业中，天文学家一直在考虑用一个新的改进过的广域相机来替换上一代的广域相机。随着执行任务时机的到来，哈勃望远镜的工程师团队可以借助这次任务同时执行两个至关重要的部件更换：用空间望远镜轴线光学矫偿套件替换高速光度计，并安装替换新的“Wiffpic”（这个是大家给喷气推进实验室制造的广域相机起的昵称），新的广域相机内置光学矫正装置，以补偿主镜中的误差。
为使哈勃望远镜这一航天传奇任务有一个圆满的结局，现在所需要做的一切，就是让宇航员到太空中对哈勃望远镜进行修理。哈勃望远镜届时将被完全修复，并最终像当初设计的那样，成为一件非常有价值的天文设备。如果维修任务按计划进行，那么一切问题都将迎刃而解，但是，如果维修期间有人不小心碰到了不该碰到的设备，哪怕只是轻轻地一触，无论是碰到了光学矫偿套件，还是替换后的广域相机上的光学镜片，都会使哈勃望远镜再次失焦。
“奋进号”航天飞船将会负责执行这次关键的维修任务，航天飞船小组将这次航天飞行任务命名为STS-61，哈勃小组则将其命名为HSM-1，这是哈勃望远镜第一次维护任务的缩写。1993年12月2日，奋进号带着解决方案和专业设备（其中包括大约200个为这次任务特别定制的工具），在佛罗里达州黎明前温暖的黑夜中顺利升空。经过充足的准备，这次维修之旅注定要把这台“在太空的永夜中瑟瑟发抖的、两眼昏花的”望远镜从噩梦中拯救出来，为哈勃望远镜在地球附近的轨道上持续44个月的毫无意义的漂泊画上句号。广域相机和光学矫偿套件就在航天飞船的货舱里，为了进行必要的修复，维修计划把“太空行走”的时间长度加到了极限。获准进行出舱维修的宇航员很清楚地知道，哈勃望远镜上安装了31个脚限位器和60米长的舱外扶手，航天员也带来了自己的固定锁扣，以及无数的系绳，以确保工作人员或是设备不至于落入无尽的太空之中。
在奋进号执行任务的第三天，船员们用性能强大的双筒望远镜发现了哈勃望远镜。然后，奋进号航天飞船以尽可能慢的速度小心翼翼地接近哈勃望远镜，在距离哈勃望远镜18米远的时候，伸出了由加拿大生产的机械臂，抓住了13吨重的哈勃望远镜（但在太空之中，哈勃望远镜几乎没有重量），然后慢慢地把哈勃望远镜拖进了航天飞船巨大的货舱之中。随后，7名机组人员开始了一系列“太空行走”，以执行分配给每一名宇航员的具体维修任务。1号舱外作业包括更换3个（总共6个）出现故障的陀螺仪，这次舱外作业也有助于让维修团队适应他们所维修物体的大小和规模。他们已经为此训练了11个月，在训练水池中执行各种各样的模拟任务，以适应太空中失重的工作环境。
2号舱外作业的内容是让2名宇航员修复并更换望远镜中受损的太阳能电池板，据说损坏的太阳能电池板正是导致哈勃望远镜抖动的原因。不过这项简单迅速的修理作业对解决哈勃望远镜失焦的问题并没有什么帮助，与核心问题相比显得微不足道。第二天，事情开始变得非常有趣，团队要进行一项棘手的维修，先移除旧的广域行星相机，再换上新的广域行星相机，新的广域行星相机非常精密，而且可以从原有的广域行星相机的嵌入口精确进出。2号作业后，维修工作一切顺利，整个新的广域相机组件依靠精密加工，顺利地滑入位置，新的行星相机的每个部分都与它的前辈4年来一直运转的地方相匹配，连内部预留的一些弯弯绕绕的地方也都能做到严丝合缝。
这次维修任务的高潮部分也没有出现任何重大问题：拆除了巨大的高速光度计，取而代之的是尺寸相同但用途完全不同的“空间望远镜轴向光学矫偿套件”。珀金埃尔默对自己的无能感到羞耻，这家公司没有参与建造这个新的矫正镜。来自科罗拉多州的一家名为波尔航空公司的全新公司（前身是一家制造果酱保鲜罐的著名公司）赢得了NASA的垂青和信任，并签署了合同。波尔公司做得很好，所有的测量都很精确，所有的适配都很有代表性，所有的公差也都符合要求。安装新的光学组件只花了不到1小时，在全流程中简直不值一提。最后，工作人员花了1天的时间对哈勃望远镜进行最后的微调和测试，并对其外壳进行修饰，这样哈勃望远镜就可以再次投入工作了。
在对哈勃望远镜进行最后一次调试之后，奋进号船员打开了望远镜前面的顶盖（就是前文调侃过的垃圾箱盖），然后将机械臂连接到哈勃望远镜上，非常小心地将哈勃望远镜从奋进号货舱中抬出来，轻轻地放在船体的外面。然后，正如风帆战舰时代的船长库克对船员们吆喝的那样：“打开锁簧，松开缆绳！”奋进号航天飞船的成员把将望远镜和航天飞船固定在一起的绳索解开。但是，库克船长做梦也想不到的是，航天飞船的星际船员们只靠着短暂启动了一下推进发动机，航天飞船便脱离了原有轨道，从天上顺利返回了地面。
现在，哈勃望远镜仍然以每小时约2.7千米的速度环绕在地球轨道上，但由于宇航员刻意对其轨道进行了轻微的调整，现在哈勃望远镜的运行更加稳定，在维护任务结束后，哈勃望远镜又回到了在太空中遗世独立、无人照看的状态，继续着近乎永无止境的旅程。
哈勃望远镜的修理进行得顺利吗？哈勃望远镜能正常工作吗？哈勃望远镜失灵的尴尬状况结束了吗？这一非凡的望远镜能否真正按预期实现科研价值呢？现在所有的目光都回到了地球表面NASA戈达德太空飞行中心的控制室里，在那里宇航局的工作人员将继续负责望远镜的相关工作。更关键的是，在位于巴尔的摩的约翰斯·霍普金斯大学的太空望远镜科学研究所操作中心，天文学家将下载并解析新的图像，并由此很快得知哈勃望远镜及他们自己团队所处的境遇。
很久以前，天文学家就有了在太空部署望远镜的灵感，而到了20世纪40年代，这一灵感有了具体的理论支持。但当哈勃望远镜把模糊的图像传回巴尔的摩的时候，可以说，我们遭遇了“大失望事件”(The Great Disappointment)。其他人对这个事件的描述可能有所不同，但那一刻，同样也在巴尔的摩的埃里克·查森(Eric Chaisson)看到了这个模糊的图像后，用他自己话来说：他整个人都泄气了。
早在1990年，伴随着初夏的第一缕曙光，哈勃望远镜成功升空，为太空望远镜的远景带来了希望。到了1993年12月18日，距离哈勃望远镜发射升空已经过了大约1300天，迎接第二道希望之光的却是冬日的夜晚。巴尔的摩的冬夜漆黑而安静，幽深而清冷。在太空望远镜科学研究所的操作中心，一位天文学家命令哈勃望远镜内部微小的机载电机以旋转的方式让空间望远镜轴向光学矫偿套件内部的矫正镜伸展开来，并将这些矫正镜设置到精确预留的位置上，矫正镜随即开始修正哈勃望远镜内部的光束。天文学家还打开了广域相机的快门，而广域相机内部自带巧妙布置的光学校正器。此时，NASA戈达德太空飞行中心控制室内的众人满怀希望地把巨大的望远镜指向深空中可能会拍到丰富影像的区域。每个人都在等待，此时，图像正慢慢地从显示器的顶部向底部展开。
爱德华·韦勒就在那里焦急地等待着，此时NASA的工程师打来了一个令他倍感紧张的电话。和房间里的其他人一样，他的眼睛紧盯着屏幕。接下来加载图像的3秒钟，是他一生中经历过的最漫长的3秒钟。
房间里突然爆发出热烈的掌声，在场的每个人都感到由衷的欣慰和喜悦。屏幕上的图像现在已经加载完成了，它在所有人面前展示了一个灿烂星海的生动场景，所有星星的聚焦都很合适，每一颗星星只占据了屏幕上的一个像素。一颗星，一个像素，这就说明它的清晰度已经达到了显示器的极限。
图像清晰、完美、精确，不再有棉花糖一般的絮状模糊，也没有羽化的边缘。一切都是精确的、和谐的、无可挑剔的，正如当初先辈们希望的那样，为人类带来在地球表面（甚至在夏威夷、智利、加那利群岛和其他空气最稀薄和最清澈的地方的大山山顶上）架设的任何其他光学望远镜都无法与之匹敌的精密影像。
这是因为在地表，即使是在空气最稀薄的地方，大气依旧厚重。地表气流扰动较多，而且大气中有不少污染物，大气中的分子与从太空中传来的光线相互影响，使得地表的天文望远镜的成像扭曲得很厉害。然而哈勃望远镜所处的位置，是在距离地表约640千米的高空，远在对流层、平流层和中间层之上，这里是被称为外大气层的地方，只是偶尔有氢分子飘过，没有空气，也自然没有空气带来的图像畸变。现在，靠着一整套新部署的光学系统，以及系统背后工程师的聪明才智和纳税人支持的财务成本，焕然一新的哈勃望远镜终于使人类拥有了一个清晰的太空观测平台。无论如何，哈勃望远镜都算得上是前所未有的突破。
此时距世人构思太空望远镜已经过去了半个多世纪，哈勃望远镜的设计也已经完成了20年，距丹伯里市加工的主反射镜从康宁公司生产的反射镜坯开始抛光已经过去了14年，而距有故障的主反射镜第一次从深空之中汲取光线也已经过去了1300多天。这台经过修理的望远镜，终于可以用新安装的精密光学元件清晰地望向远方，望向宇宙遥远的过去。
哈勃望远镜的故事时至今日依旧尚未完结。在第一次对哈勃望远镜进行维修工作之后，工程师们又对其进行了4次进一步的太空维修工作，每次任务都给哈勃望远镜带来了技术上的升级，为哈勃望远镜注入了新的活力。哈勃望远镜最终得以像先辈们很久以前计划的那样，执行一个又一个的任务。哈勃望远镜的公众形象逐步提升，成为大众心目中“勤恳工作的老黄牛”“NASA最伟大的空间望远镜”。时过境迁，现在哈勃望远镜因其长期在轨的时间，成为太空中受人尊敬的长者，即使不再有新的太空维修，哈勃望远镜这只银色的大鸟依旧可以在太空中翱翔许久，而且有人预期它至少能飞到2030年，甚至能在2030年的基础上再续上10年。一些人认为哈勃望远镜是现代最成功的科学实验，甚至可能是人类有史以来最成功的科学实验。哈勃望远镜往地球发回了成千上万张图像，这些深空之中的景象令人着迷。诚然，这台8英尺高的望远镜算不上完美，但它捕捉到了无数的宇宙珍奇画面，将光年彼岸的美景生动地呈现在人们眼前，令科学家们和普通天文爱好者都啧啧称奇。
第8章 我在哪里，现在是何时 公差0.00000000000000001(10-17)
牛津各处钟楼上的时钟相继报时，响声连绵如瀑。
——英国推理小说家多萝西·塞耶斯(Dorothy L. Sayers)《俗丽之夜》(Gaudy Night)
时间是两地之间最长的距离。
——美国剧作家田纳西·威廉斯(Tennessee Williams)《玻璃动物园》(The Glass Menagerie)
“猎户座号”(Orion)是一座笨重的铁制钻井平台，重达9000吨，正由两艘拖船缓缓拖行，在北海中寻找可以停驻下来进行钻探的地方。而我就在领头拖船的舰桥上，领头拖船名为“开拓者号”(Trailblazer)，是一艘异常强大的小型荷兰拖船。猎户座号刚刚在大约8千米外的地方成功地完成了一口天然气井的钻探工作。此时，它的4条桩腿向上翘起，高高地悬在井架上，随着涌起的海水晃来晃去，看上去十分危险。我们要把它拖到下一个钻探点，也是芝加哥的地球物理学家选择的地方，因为从海底地质状况来看，那里有希望钻出天然气。
那是1967年3月一个寒冷刺骨的早春之日，当天刮着凛冽的东北风。1个月前，我才来到这座钻井平台工作。那时我还不到23岁，而这座钻井平台价值上千万美元，阿莫科石油公司(Amoco Petroleum)以每小时8000美元的价格将其租了下来，现在却要靠我这样一个新人把它放到正确的位置上。
我要确保猎户座号能够妥善就位，而公司给我的相关指示和装备却少得可怜：一部对讲机，可以用来和平台上的钻井队长通话；一张英国皇家海军部1408号海图（从哈里奇到鹿特丹以及克罗默到泰尔斯海灵岛），涵盖了我们所在的这部分北海海域；一张大比例尺局部海底地球物理机密图，由美国海底勘测队制成，图上有一处标着一个大大的红色“X”，那是芝加哥的规划者为钻井平台指定的钻探点。在“X”旁边用铅笔写着钻井平台的停驻坐标，大约是北纬53°20'45"，东经3°30'45"，角秒数精确到小数点后一位或两位。
最重要的是，这艘拖船的船长也有一张特别的海图，上面印有以红、绿、紫三色表示的双曲线，显示当时已知最先进的无线电导航系统，即“台卡导航系统”(Decca)。与当时大多数近海行船的船长一样，我们的船长也将台卡海图与一台大型信号接收机结合使用。接收机是从台卡公司租来的，由旋转接头安装在一人高的位置，上面有4个刻度盘，其中3个刻度盘带有钟针似的指针，涂着夜光漆，以便晚上读数。
这台接收机用于接收海岸电台持续不断发送的强大无线电信号。台卡公司在英国和德国北海海岸的海岬及悬崖顶上建造了数座海岸电台，包括主台和副台。信号先由主台发出，无一例外都是短脉冲，片刻之后，各个副台也会重复发出与之相同的脉冲。接收机在接收主台脉冲和副台脉冲时会出现延时情况，而延时长度取决于接收机与相应副台之间的距离。因此，接收机中的原始计算机可以根据接收机到各个副台之间的距离进行定位，从而推算出接收机在海图上的位置。然后，接收机上的刻度盘会分别显示我们的小拖船在红、绿、紫三色位置线上的行进距离。根据接收机上的读数，我们可以从台卡海图中找出我们在这三条独立的相交线上的位置，从而确定我们在海图或地球物理图上的实际位置。台卡导航系统的制造者声称其导航精确度约为600英尺。
我得到的指示是这样的：当我确定钻井平台正好位于指定钻探点上方时，我要通过对讲机向钻井队长下达指令。此外，我们的荷兰船长告诉我，有一股表层流正在以大约6节的速度向西北方向流动。在就位过程中，钻井平台会随着这股表层流飘移几十英尺，所以我必须考虑到这一点。在我命令钻井队长“放下桩腿”时，他会立即下令松开4组螺栓。那耸立在我们上方的高大铁腿就会立即向下坠入海中，溅起4朵巨大的水花，势不可当地冲向200英尺以下的海床，插入海床上层的软土中。随后我们再加上一组锚，将钻井平台固定在合适的位置，为接下来持续数周的勘探工作做好准备。
我们缓缓靠近钻探点。测深仪每隔几秒钟就会响一次，显示我们下方的深度稳定地保持在32英寻。我看着地球物理图上那个模糊的半内切图案，即芝加哥的专家们口中的二叠纪穹丘(Permian dome)，从台卡海图来看，它离我们越来越近，有那么一会儿就位于钻井平台的正下方。我紧张地把手指放到对讲机的麦克风按钮上按了下去，同时抬头看着钻井平台，开始对着麦克风大声下令。我用一个二十几岁的人所能有的最严肃、最正式的语气命令道：“放下桩腿！”
片刻之后，我看到4小股发红的铁锈色烟雾。原本如高塔般耸立的巨大铁管桁架桩腿顿时塌了下去，很快就消失在视线中。一阵尖锐可怕的金属声随之响起，海水翻腾着，泛起一大片泡沫。我们命令钻井平台上的水手松开我们这艘拖船的拖缆，同时也令其松开后面那艘拖船的拖缆。两艘拖船掉头驶向大海，远离这片喧嚣。我们驶出约2千米，然后停下来，看着钻井队长下令开始顶升程序。嘈杂声再次响起，听起来就像建筑工地上的手提钻声。钻井平台开始自行顺着现已稳固的桩腿不断攀升，直到高出海浪40英尺，远离下方大部分风暴和浪潮的影响。这时，钻井平台上有人把机器停了下来，四周一片寂静，只听见越来越大的风发出低沉的呼啸声，还有海浪的撞击声。
对讲机里传来钻井队长的声音，他刚刚看了测深报告。“一切正常，”他说，“受表层流影响，可能略有偏差，偏离理想位置约200英尺。但对于新手来说，这已经很不错了。芝加哥那边应该不会有什么意见。你做得已经够好了，去睡觉吧。”
那天晚上，他们开始钻井，经过3周夜以继日的钻探，终于在6000英尺深处发现了天然气。这股天然气喷流正常且强劲，在20世纪60年代堪称天赐的天然碳氢化合物。又过了1周，我们结束钻井工作，由后来的一群工人将这口天然气井与一块气田连接起来。“猎户座号”及其船员们则带着另外几艘重型拖船离开了，前往海上更远的“猎场”。
后来，我离开了钻井平台，离开了阿莫科石油公司，最终彻底转行，不再从事石油地质工作。但是，这段经历却让我铭记多年：我曾经于波涛汹涌的海洋中将一座重达9000吨的钻井平台安放在一处二叠纪盐丘(Permian salt dome)上方，而且其就位的准确度足以钻出自喷天然气。
我们做到了把误差控制在200英尺以内，这在当时看来是非常不错的成绩。但是以今天的标准来看，偏离指定位置200英尺的精确度简直难以想象，甚至算是彻底的失败。因为地表定位现在可以精确到厘米，很快就会精确到毫米，而这要归功于一项技术的诞生。该技术最终将取代台卡、罗兰(Loran)、吉奥(Geo)、子午仪(Transit)、马赛克(Mosaic)等专有无线电导航系统以及六分仪、罗盘、天文钟等几个世纪以来海员们用于定位的各种导航设备。
全球定位系统的诞生
毫无疑问，这项技术就是全球定位系统。它的基本原理是在另一项技术的发展中意外诞生的。那是1957年10月7日，周一，威廉·吉尔(William Guier)和乔治·韦芬巴赫(George Weiffenbach)这两位年轻科学家来到约翰斯·霍普金斯大学应用物理实验室，他们和所有美国科学家一样被这样一个事实所吸引：人类历史上第一次有一颗人造卫星正在绕地球运行。
那就是人造地球卫星“斯普特尼克号”(Sputnik)。令美国公众感到懊恼的是，苏联于3天前发射了这颗直径20英寸、重达200磅的抛光钛合金球形卫星，它正以96分钟一圈的速度绕地球运行。总共360页的《纽约时报》周日版曾在第193页报道，该卫星上搭载的微型发射机正在持续不断地发射无线电信号。吉尔和韦芬巴赫都是计算机专家，他们最近在做的工作分别是氢弹模拟和微波光谱研究。他们认为，或许可以通过记录并分析那些无线电信号，来确定斯普特尼克号的确切位置。
因此，他们将实验室里的专用无线电接收机调到斯普特尼克号卫星的频率上，专注地倾听并用高保真磁带录放机录制卫星信号有规律的振动声，那是一种高分贝的“哔哔”声，其发射频率略高于每秒2次。然后，他们分析了卫星无线电信号的频率，结果发现，正如他们所猜想的那样，随着斯普特尼克号卫星从地平线上升起，然后直接从巴尔的摩实验室上空经过，最后再次落到地平线下，信号的频率在这个过程中发生了轻微的变化。他们观察到的这种频率变化即为多普勒效应。关于多普勒效应，有一个典型的例子：随着鸣笛的火车由远而近再由近而远，观察者听到的鸣笛声的频率会发生变化。有史以来第一次，这两位物理学家证明了卫星信号的频率变化既可检测又可测量。
他们的应用物理实验室里有一台全新的雷明顿通用自动计算机(Remington UNIVAC)，那是当时功能最强大的计算机。此后不久，两人便利用这台计算机将卫星信号数字化，然后根据现已转换成数字的不同频率相当精确地计算出斯普特尼克号在各条轨道上的位置。斯普特尼克号在他们正上方时的频率是信号的真实频率；由斯普特尼克号绕地球一圈所需的时间可知其运行时速约为28800千米。因此，以真实的频率为基准，根据信号频率的相应变化可以计算出斯普特尼克号在靠近和远离他们的过程中所处的位置。
这一运算耗费了数周，并产生了深远的影响。后来在美国加入太空竞赛时，他们也成功地将其应用于“探险者1号”(Explorer I)的轨道预测。次年3月，应用物理实验室主任弗兰克·麦克卢尔(Frank McClure)意识到，他这两位年轻的同事无意中发现了一种可以在全球范围内使用的应用程序。
麦克卢尔把两人叫到他的办公室，让他们把门关上，告诉他们，如果地面上的观测者能够精确地确定卫星在太空中的位置，那么反过来，数值倒数也可能是正确的。根据卫星的位置，人们也可以计算出观测到这颗卫星的人或机器在地球上的确切位置。
这点在事后看来是显而易见的。不过，吉尔和韦芬巴赫之前并没有注意到，他们后来才意识到这样的推论：无论是船只、卡车、火车还是普通平民，无论是移动的还是静止的，基于这一简单多普勒原理设计的卫星导航系统都可以代替海员们在过去几个世纪里使用过的六分仪、罗盘、天文钟以及当下正在使用的罗兰、台卡、奇(Geo)等导航系统。它不仅可以确定他们所在的位置，还可以告诉他们要朝哪个方向走才能到达他们想去的地方。“我突然意识到，”麦克卢尔在一份为吉尔和韦芬巴赫申报奖项的著名备忘录中写道，“他们的工作为一种相对简单且有可能相当准确的导航系统奠定了基础。”
确实相当准确。巴尔的摩应用物理实验室的研究经费很多都是来自美国海军，后者进行了一些粗略的计算，然后提出了这样一个概念，即在拥有大量卫星的前提下，对人或物的定位或许可以精确到0.5英里以内，比如对船只或潜艇的定位。虽然台卡导航系统可以精确到600英尺以内，但与之相比，这样的卫星导航系统有一个显著的优势，而该优势在那个美苏冷战时期尤为重要。当时，船只以及“开拓者号”等钻井平台定位拖船所使用的台卡等无线电导航系统并不安全，因为它的发射台都在陆地上，很容易就被敌人切断服务，而太空中的卫星导航系统可以防止外界的干扰、监视和破坏，相对而言要安全得多。
当时，美国海军正在寻找一种安全可靠且准确的方法来定位装备“北极星”导弹的核潜艇舰队，因此，被称为“子午仪”的多普勒卫星导航系统就这样应运而生了（见图8-1）。1960年，一颗原型卫星被成功送入轨道。此时距离麦克卢尔书写那份著名的备忘录才不过6年（也就是斯普特尼克号发射3年后），美国海军的“子午仪号”卫星编队就开始绕地球运行，第一个真正的卫星导航系统开始全面投入使用。
图8-1 多普勒卫星导航系统
注：该卫星于20世纪50年代和60年代由美国海军发射，通过多普勒卫星导航系统定位美国战略核潜艇，精确度为300英尺。子午仪系统被认为是世界上第一个实用的卫星导航系统，该系统最终促使了现代全球定位系统的诞生。
