一块直径仅10厘米的碎片就可能导致整个航天器 解体 ，据估计，地球轨道上有超过29,000个直径大于10厘米的物体。这对往返于国际空间站的航天器构成重大风险，更不用说数百颗如今已成为日常生活必需品的卫星了。
尽管包括大多数政府和众多企业在内的许多机构都可能受到太空碎片的严重影响，但迄今为止，尚无人采取任何切实行动来应对这一问题。不过，我和同事希望借助博弈论的数学建模，设计一种策略，激励这些参与者采取行动，以避免太空碎片大规模碰撞可能造成的那类灾难。
各国航天机构以及私营卫星和通信公司都有减少轨道碎片数量的利益诉求。如果某一机构尝试清除碎片，将使所有在太空运行的主体受益。但由于这样做既复杂又成本高昂，对这些参与者中的任何一方而言，表面上的最佳选择是等待他人率先行动。这样一来，它们无需承担自行清理的费用，便能在更清洁的太空中开展业务。
当然，问题在于，如果每个人都这样想，碎片数量就会 持续增加。老化的卫星和废弃的火箭助推器不断产生新的碎片，而每当两块碎片相撞并裂解成更小的碎片时，碎片总数便会增加。太空碎片以这种方式不断累积，最终可能引发灾难性的连环碰撞，即所谓的“凯斯勒综合征”。（您可能在电影《地心引力》中见过这种可能后果的描绘。）
这种在承担行动成本与冒险等待可能引发灾难之间做出抉择的困境，正是博弈论所研究的一类战略问题。像太空碎片问题这样，参与者只考虑自身利益、而不顾及集体利益的情形，在博弈论中被称为“公地悲剧”。结果，共享资源（在本例中即太空及近地轨道）被所有个体过度使用，最终对任何人都不再有用，并使所有相关方承担更高的成本。
博弈论 源于经济学，研究多个实体之间的互动与战略决策。这些实体可以是个人、组织、政府，甚至是智能 或自动化计算机程序（“智能体”）。
在计算机科学中，博弈论技术在人工智能和多智能体系统研究中颇受欢迎，因为它有助于设计能够在无人监督的情况下分析战略情境并做出良好决策的软件。例如，它可以帮助设计一个代您参与拍卖的智能体，即时为大宗商品出价或协商，以争取尽可能好的交易。
在博弈论中，战略情境通常被建模为一种博弈，其中包含若干参与者，每人都有若干可选行动。他们依据自身偏好及对手的行为来选择采取哪种行动。随后，每位参与者的结果取决于博弈中所有人的选择。一个著名的例子是 “囚徒困境” 博弈，在该博弈中，两名罪犯是否与当局合作、指证其同伙，会决定他们各自受到不同的刑罚。
经典博弈论告诉人们，在囚徒困境这类情境中应如何行动，以获得最佳结果。该理论最重要的元素之一是 纳什均衡概念。这意味着，参与者被假定为完全理性并以理性方式行事。有趣的是，当参与者做出最理性的决策时，似乎并不总能带来合作行为或最佳结果。
针对我们的太空碎片困境，较新的博弈论版本（如 动态博弈论 和 演化博弈论）尤为有用，因为它们能够应对不断变化的情境。例如，演化博弈论假定参与者并非完全理性，而是同时受到社会和生物条件的制约。这为描述具有社会属性的人类行为提供了更好的方式，或者在更大范围内，描述跨国组织的行为。
太空博弈
我们的目标是创建一个逼真的碎片清除情境计算机模型，用于运用博弈论进行分析。该模型应能够解释参与太空碎片积累的各类实体的不同行为方式。例如，它可以预测，在考虑到各实体卫星等太空资产所面临的即时和长期风险的情况下，每个实体愿意在清理方面投入多少精力。
这将使我们能够更好地理解不同的碎片清除策略可能如何奏效，并确定不同参与者应采取的最佳策略。例如，每个参与者可以承诺每年清除一块碎片，或清除与其发射的新卫星数量成比例的若干碎片。博弈论基本上可以告诉我们，相关各方之间基于自身利益的互动，是否可能催生此类策略。
最终成果应是一种机制，用以“引导”局势，并创造激励，促使出于自身利益的参与者采取不会导致公地悲剧的行动。例如，经国际协商一致的税收或罚款，可以使清除或遏制太空碎片增长符合某些参与者的眼前最佳利益。若无此类行动，我们在轨道上制造的混乱只会更加恶化。
发表文章并不意味着世界经济论坛认同其观点。
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作者：Karl Tuyls是利物浦大学计算机科学系的全职计算机科学教授。
图片：德国宇航员Alexander Gerst在国际空间站拍摄的这张照片中，太阳光在水面上反射。REUTERS/Alexander Gerst/NASA。
