一場約定在火星的見面 最終二人都沒出現
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作者：李會超
中國科學院國家空間科學中心 空間天氣學國家重點實驗室
1998年，NASA啟動了火星探測98計劃，將「火星氣候探測者」和「火星極地著陸者」兩艘飛船發射升空。
以今天的眼光看，重量為338公斤的「火星氣候探測者」和重量為290公斤的「火星極地著陸者」都算是微小衛星。
之所以使用這樣輕量級的衛星，是由於之前火星觀察者飛船的失敗和國際空間站計劃預算的節節攀升，NASA不得不削減預算，試圖用一些小型探測器來繼續火星探測。
「火星氣候探測者」飛船
計劃中的「火星約會」
1998年12月21日，「火星氣候探測者」發射升空。
「火星氣候探測者」發射瞬間
科學家們賦予這艘飛船的任務是研究火星的氣候與天氣。
火星擁有大氣層，但大氣層中的主要成分為二氧化碳，溫室效應較強。在火星上，由於氣壓和重力較低，塵埃容易被捲入空中。而火星表面在春夏季時較快的增溫又容易形成強烈的風，裹挾塵埃形成塵暴。同時，還有塵捲風、幡狀雲等天氣現象。
火星氣候探測者飛船，通過它上面搭載的紅外輻射計和可見光-紫外線成像設備，來監測火星大氣層中每天的天氣變化，記錄天氣現象給火星表面帶來的影響，並完成其他與火星氣候與天氣有關的探測任務。
測試中的「火星氣候探測者」
除了進行科學探測外，它還是一名「傳令兵」。
當「火星氣候探測者」和它的兄弟飛船「火星極地著陸者」在火星上「見面」後，它將通過自身的天線來為「火星極地著陸者」做通信中轉，讓這艘在火星登陸的飛船能夠與地面控制系統通訊。
一個在路上失聯 一個在抵達時失事
1999年9月8日，在經歷了半年多的飛行之後，「火星氣候探測者」已經接近火星，準備降低軌道高度到226公里，以進入正常工作的狀態。
然而，在此次軌道高度調整一周後，控制人員發現其實際軌道高度僅有150-170公里，並且在不斷下降中。
1999年9月23日，火星氣候探測者飛船在環繞火星的軌道上與地球上的控制人員失去聯絡，從此再無音信。
據事後的調查推斷，此時飛船的軌道高度可能僅有50公里。在火星大氣與飛船的相互作用下，飛船解體墜毀。
雖然是一顆小衛星，但「火星氣候探測者號飛船」任務耗資也有三億兩千七百萬美元。
而葬送飛船的，竟然是一個低級錯誤：弄錯了單位。
飛船的控制軟體以「磅力」為單位計算推力，而預測飛船軌道的模型以「牛頓」為單位。（1磅力約等於4.45牛頓）
假設飛船的發動機以1磅力的推力工作了1秒時，軌道預測模型會誤以為飛船是以1牛頓的推力工作了1秒。如果軌道預測模型認為飛船的推力剛好合適時，飛船發動機實際產生的推力將會是合理值的4.5倍。飛船在降低軌道高度時，發動機推力的作用相當於汽車的剎車。剎車踩多了，速度降低得過多，才釀成了飛船失控墜毀的慘劇。
令人更感到遺憾的是，「火星極地著陸者」在火星著陸過程中也因為故障而失事，兩艘飛船「火星約會」的願景變成了各自的惆悵。
誰應該為此負責？混亂的單位制
從國內去美國工作、生活的讀者可能會有這樣的體驗：如果要在美國正常生活，要重新適應那邊的度量方法。長度單位要用英里、英尺，重量單位要用磅、盎司，體積單位要用品拖、加侖等。
同一種名稱的單位在用作不同性質的物體的度量時，其代表的量還會發生變化。常用來衡量液體體積的單位「加侖」，1加侖約等於3.785升。與此同時，還有一個衡量乾貨體積單位的「干加侖」，1干加侖約等於4.405升。
在美國還是英國殖民地的時期，英國將英制單位帶到了北美大陸。英制單位大都來源於實際生產生活中的直觀定義。
例如，磅這個單位來源於古羅馬帝國時期，其最初的定義方式為一磅等於一顆從麥穗的中間抽取的大麥的重量的7000倍。而英寸這個單位最初的定義為人拇指的長度，後來又用三個大麥粒的長度來定義。
這種隨心所欲的單位定義法顯然十分不精確，因此後來英國政府進行了規範度量的工作。1824年，英國的重量與長度法案對英制單位首次做了規範定義。
倫敦特拉法加廣場的英制標準長度
然而即便這樣，在需要精確測量的工業時代，英制單位仍然是一種不好用的單位。
為什麼這麼說？
我們日常使用的計數法是十進位的，而不同英制單位間卻大都是12和16的倍數。例如，1英尺=12英寸，1磅=16盎司。
當我們用小數表示公制單位時，可以方便地換算成更小的單位，但英制處理起來就十分的麻煩。比如，0.56米等於5分米又6厘米，或56厘米，但0.83英尺的長度等於9英寸5皮卡到9英寸6皮卡之間。在這個轉換中，即便在英制單位中繼續使用更小的長度單位，也無法像公制單位那樣方便而精確地換算。
從19世紀開始，法國人定義了一套以自然現象為基準、以十進位為基本進位的單位系統。例如，用經過巴黎的子午線從赤道到北極長度的千萬分之一確定了「米」，用十進位轉換出了「分米」、「厘米」等更小的單位。
後來，這套單位制在經過不斷規範後，形成了國際單位制。在國際單位制中，定義了7個基本物理量，其它物理量則由這7個物理量導出。
公制單位在全球的推廣示意圖，不同顏色的色塊表示該國採用公制單位的時間。黑色表示該國尚未採用公制單位，灰色表示該國數據不詳。斜條紋表示該國在混用不同單位制
實際上，美國很早就參與到了國際單位制的制定工作中。
在1875年多國簽署形成國際單位制的重要文件《米制公約》時，美國就是締約國之一。
然而，美國政府在國內推行國際單位的工作力度一直不強。
世界各國因為國際單位制在科技和工業領域的優勢而紛紛轉向國際單位制時，美國依然高舉之前的英制單位大旗孤獨行走，還在英國定義的基礎上推陳出新，自成一派。
例如，在電影《馬達加斯加的企鵝》中，當四隻企鵝從一架飛機上逃脫、即將墜地時，擅長進行科學計算的科斯基用國際單位「米」報告企鵝們的高度，而老大卻堅持讓科斯基「說美國話」，因此科斯基不得改用美製單位「碼」來報告當前高度。100米約等於109.3613碼。
再例如，美國目前使用的1加侖和英國之前定義的1加侖的體積並不相同。因此，目前美國已經形成了一套「美製單位」，這套單位與英國之前使用的單位並不完全相同。
1992年，在英國放棄英制單位，全面使用國際單位制27年後，美國終於頒布了一份有強制力的法令推行國際單位。但法令僅要求政府部門使用國際單位制，對於私營企業和社會活動中使用的單位制並沒有做明確的規定，造成美國目前兩種單位制混跑的局面：在政府部門文件和科學技術活動中，多用國際單位制；而與日常生活相關的領域，則多用之前的美製單位。
1美製加侖的汽油，相當於0.8英制加侖
在火星氣候探測者飛船的悲劇中，軌道模型來自於屬於政府部門的NASA，而飛行控制軟體來自於私營承包商洛克希德·馬丁公司。
洛克希德·馬丁公司的碼農們沒有按照飛船工程的介面規範設計軟體，而是直接習慣性地使用了美製單位，造成了飛船墜毀的悲劇。
直到今天，儘管許多美國政府部門在做這方面的努力，但美國何時能夠全面使用國際單位制，依然是個未知數。
作者：李會超中國科學院國家空間科學中心空間天氣學國家重點實驗室
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