科學史 月球為何正在遠離地球？

1969年7月20日 阿波羅11號的登月艙英號降落在月球近海 全世界首在電視機前的人都在等尼爾·阿姆斯特朗那具個人的一小步 可很少有人注意到 緊隨其後的巴茲·奧爾德林在踩下那個著名腳印之前 先做了一件看起來無關緊要的小事 他從腰間掏出一個巴掌大的摺疊裝置 展開輕輕擱在月壤上 那是一組腳反射鏡 由100個精密的立方棱鏡拼成 每個棱鏡的三個面互相垂直 無論光從哪個角度打進去 經過三次內反射都會原路折返 這東西的妙處在於 它不需要電 不需要對準 不需要維護 只要月球還在 它就能一直工作下去 奧爾德林大概不會想到 這個不起眼的小東西會在往後的半個多世紀裏替人類守住一個驚天祕密 祕密藏在一束光裏 地球上的天文臺朝那面鏡子打一束激光 光以每秒30萬公里的速度奔向月球 打在鏡子上原路折返 回到地球被望遠鏡接收 計下往返時間乘以光速再除以二 就是地月距離 這道理聽起來簡單 做起來極難 激光打到月球上 散開的光斑直徑有好幾公里 能反射回來的光子少得可憐 往往打出去一萬億個光子 只有幾個能回來 可就是這幾個光子 足夠算出距離 大氣擾動會讓光束抖動 所以測距要挑晴朗無雲的夜晚 反覆打激光取平均 把抖動誤差抹平 幾十年下來 數據攢了一落又一落 曲線畫出來 月球每年往外挪3.8釐米 3.8釐米 山河情人節那天 全力以赴的長度放在38萬公里的尺度上 小到我都沒臉說 可就是這3.8釐米 把一個困擾了物理學家上百年的問題 從理論推演變成了鐵證 月球在跑路 它跑得悄無聲息 跑得不慌不忙 但它確確實實在離我們而去 這事兒最早不是測出來的 是算出來的 早在阿波羅登月之前 近一個世紀 就有人從理論上預言了月球遠離 1879年 查爾斯·達爾文的二兒子喬治·達爾文 沒錯 就是那個寫《物種起源》的達爾文的兒子 在皇家學會發表論文 頭一個把潮汐演化做成正經的數學問題 他算出地球自轉在變慢 月球在遠離 而且這個過程從地月系統誕生之初就開始了 喬治·達爾文的時代沒有激光 沒有計算機 他靠紙筆和牛頓力學 硬是把這樁宇宙舊賬翻了出來 道理說穿了並不複雜 但要把前因後果捋順 得從一個我們每天都能看見 卻很少深想的現象說起 潮汐 月球用引力拽着地球上的海水 把海水拉成一個隆起 很多人想當然的以爲 海水只會在正對月球的那一側鼓起來 其實不然 正對月球的那一側鼓起來 背對月球的那一側也鼓起來 兩坨水同時存在 所以地球大部分海岸一天能看見兩次潮汐 背月面那坨水怎麼來的 這要怪地球和月球共同的旋轉 地月系統繞着共同的質心轉 地球上的每一點都在做圓周運動 都有離心趨勢 正對月球那側 月球引力大於離心趨勢 水被拉向月球 背對月球那側 離心趨勢大於月球引力 水被甩離月球 兩邊一拉一甩各鼓起一坨 潮汐就這麼成了 嚴格來說 潮汐力的本質是引力差 月球對地球近端和遠端的引力不一樣 近端被拉得更狠 遠端被拉得更弱 這個差值把地球上的水往兩頭扯 太陽也有潮汐作用 但太陽離得太遠 潮汐力只有月球的大約一半 每逢朔望 日月的潮汐力疊加 潮水特別大叫大潮 每逢上下弦 日月的潮汐力互相抵消一部分 潮水特別小 叫小潮 古人不知道這些 但靠看月亮就能摸出潮汐規律 漁民出海 鹽互曬鹽全憑這套經驗 如果地球是個不動的死鴿的 這兩坨龍鰭會老老實實對準月球 可地球在自轉 而且轉得比月球公轉快得多 地球一天轉一圈 月球繞地球一圈要27又三分之一天 於是麻煩來了 海水被月球拽着想對準月球 可地球帶着海水在轉 把龍鰭往前拖 好比拽根繩子 繩頭拴着個球 人往前跑 球想留在原地 結果被拽的歪向前方 潮汐龍鰭就是這麼被地球自轉拽歪的 它始終比月球的真實位置超前那麼一點點 這一點點超前要命的很 龍鰭有質量 有質量就有引力 超前的龍鰭會反過來拽月球 給月球一個向前的推力 在軌道力學裏有個反直覺的規律 給一個繞行的天體順着運動方向加速 它不會飛得更快 反而會飛得更高 軌道半徑變大 速度反而變慢 開普勒定律規定軌道能量增加 體現爲軌道升高而非速度加快 月球被這股力推着 一圈一圈往外挪 每挪一圈 離地球遠一點點 代價由地球來付 地球把自轉的能量偷渡給了月球 自己越轉越慢 每過一百年 一天拉長1.4毫秒 聽起來微不足道 可架不住時間這個老賊手穩 幾億年下來 賬就嚇人了 能量去了哪兒 大部分耗散在前海和大陸架 潮水湧進湧出 跟海底摩擦 把動能變成熱 散到海水裏 這過程叫潮汐摩擦 地球每天轉一圈 潮水就在前海里來回搓一遍 搓了45億年 硬生生把地球自轉搓慢了 前海越寬 搓的就越狠 所以大陸格局一變 潮汐加速的速率也跟着變 如今 全球潮汐能耗散的功率大約3.7萬億瓦 相當於幾百座大型電站的輸出 全靠月球和太陽的引力 白送地月系統 可以看作一個封閉的旋轉體系 沒有外力插手 根據角動量守恆 地月的總角動量守恆 地球自轉的角動量在減少 月球公轉的角動量就得增加 總量一分不變 地球慢下來多少 月球就得快上去多少 而月球一快 軌道就得往外撐 喬治·達爾文當年就推算過 月球曾經離地球極近的結論 只是那個年代沒法驗證 理論歸理論 科學講究實證 月球遠離這事兒 光有理論不夠 還得有證據 證據分兩路 一路是現代的激光測距 前面說的阿波羅反射鏡就是幹這個的 另一路藏在石頭和貝殼裏 得往回翻幾億年來看看 先說現代這一路 阿波羅11號,14號,15號 在月球上各留了一面反射鏡 蘇聯的月球車一號和二號也帶了兩面上去 一共五面 全球的天文臺都能用 誰打激光都行 位置公開 數據共享 中國2018年1月 用雲南天文臺的1.2米望遠鏡 也收到了阿波羅15號那面鏡子的回播 成爲世界上第三個 成功進行月球激光測距的國家 光速是常數 時間測得越準 距離就越準 如今人類測時間的精度 所以3.8釐米這個數字 並無猜測 就是實打實量出來的 這五面鏡子50年來從沒失靈過 它們不靠電 不靠機械 純靠光學反射 只要月球表面不被什麼東西砸壞 它們能一直工作到太陽熄滅 可問題來了 激光測距只有50年 50年前月球就在遠離 那500年前 5萬年前 5億年前呢 月球是一直在跑 還是最近纔開始跑 跑的速度變沒變 這些問題 激光反射鏡答不了 得去問化石 地球自轉在變慢 一天在變長 那過去的一天就比現在短 一年裏的天數就比現在多 地球繞太陽一圈的時間基本不變 可地球自己轉得快 一年就能多轉幾圈 如今一年365天 4億年前一年能塞400天 10億年前能塞480天 如果能找到記錄古代一天的東數 數一數古代一年有多少天 就能反推出地球自轉有多快 再帶入角動量守恆 就能算出月球當年離我們多遠 從現場的蛛絲馬跡 倒推當年的情形 記錄一天有多長的東西 大自然造了好幾樣 第一樣是潮汐紋層 遠古的近岸淺灘 潮水每天漲落 泥沙一層一層堆 大潮堆厚點 小潮堆薄點 月週期年週期都刻在裏頭 跟樹木年輪一個道理 這些紋層一旦被後來的沉積物封存 就能保存幾億年 美國亞利桑那大學的索內特團隊 1996年在《自然》上報告 他們在印第安納州發現了一處 約9億年前的潮汐紋層 數下來 當時一年大約481天 一個月大約18天 澳大利亞阿德萊德大學的威廉斯 在南澳發現的6.2億年前的 埃拉蒂納紋層更精細 能看出當時一個月大約22天 一年大約400多天 這些數字跟月球軌道演化的理論模型 高度吻合 彼此印證 等於從化石裏讀出了月球當年的位置 第二樣是珊瑚 珊瑚這東西有意思 它骨骼裏同時記着兩種節律 日照影響代謝 留下日生長紋 季節變化留下粗細交替的年代 一年裏的日文條數 就是一年的天數 1963年 古生物學家約翰·維爾斯 在《自然》雜誌上發了篇論文 說現代珊瑚每年長365條日文 跟現在的天數對得上 可他拿來距今約4億年前 尼盆紀的珊瑚化石一數 每年大約有400條 400條意味着當時一年有400天 地球繞太陽一圈的時間沒變 那隻能是每天變短 當時一天只有約22小時 維爾斯又數了距今約3.5億年前 石炭紀的珊瑚 一年大約390條 年代越近條數越少 趨勢清清楚楚 地球轉得比現在快 跟月球離得更近的推論嚴絲合縫 這篇論文不長 卻一錘定音 從此 珊瑚化石成了研究地球自轉史的標準工具 後來又有學者數出更古老的珊瑚 一年能到410條以上 越往遠古走 天數越多 地球轉得越快 月球離得越近 整條曲線跟理論預測幾乎重合 第三樣是疊層石 疊層石是藍細菌一層一層堆出來的沉積構造 也能記錄晝夜和季節節律 年代比珊瑚還古老 能追溯到幾十億年前 藍細菌靠光合作用生長 白天活躍 夜裏歇息 一層薄一層厚 跟潮汐紋層異曲同工 疊層石的技術同樣指向地球自轉減慢 月球遠離的結論 跟潮汐紋層和珊瑚化石互相印證 三類證據 三種生物 三個年代 指向同一個結論 這就不叫巧合 叫鐵證 說到這兒 得提一個流傳甚廣 卻已經被學界否定的說法 鸚鵡羅 很多科普文章講月球遠離 都會搬出鸚鵡羅 說鸚鵡羅殼上的花紋能證明4.8億年前的奧陶紀 一個月只有九天 這個說法來源是1978年 卡恩和龐培在《自然》上發的一篇論文 他們覺得鸚鵡羅殼上有兩種結構 細密的是日升掌紋 隔一段有個隔板 隔板之間的紋數就是一個月的天數 他們數了一批奧陶紀的鸚鵡羅化石 得出當時一個月只有十天左右的結論 這論文剛發出來就被打臉 1979年 桑德斯和沃德在《自然》上發文反駁 指出幾個大漏洞 第一 把活的鸚鵡羅養在水族館裏觀察 發現它生長極不規律 有時一條紋對應一天 有時兩天才長一條 有時乾脆停長 根本不是穩定的日結率 第二 他們拿同一批化石重新計數 有人數出15條 有人數出不到10條 有人數出近40條 數據滿天飛 完全無法重現 方法不可靠 結論自然站不住腳 後來學界基本達成共識 鸚鵡羅殼的紋路受環境、年齡、營養影響太大 當不得日利用 所以鸚鵡羅這個段子雖然傳的滿世界都是 但在學界早就是過時的舊賬 真正靠譜的證據是潮汐紋層和珊瑚化石 這個例子也提醒我們 科學結論不是看誰先說誰說的多 而是看證據經不經得起檢驗 一個漂亮的假說 如果數據對不上 再動人也是空中樓閣 把化石證據和激光測距拼在一起 月球的逃跑路線就清楚了 幾十億年來 月球一直在往外挪 只不過早期離得近跑得快 現在離得遠跑得慢 往回倒推 月球剛誕生那會離地球近得嚇人 那時候的地球 抬頭就能看見一個碩大無朋的月亮懸在天上 地月之間的引力拉扯比現在兇猛得多 潮汐一天能來好幾回 浪頭能掀到幾百米高 月亮陰晴圓缺 一天變好幾次 那畫面光想想就讓人頭皮發麻 既然月球一直在跑 那它會不會有一天徹底飛走脫離地球呢 答案是不會 潮汐力跟距離的三次方程反比 月球離得越遠 潮汐力衰減得越快 地球自轉減慢的速率也跟着降 等到地球自轉減慢到和月球公轉同步 潮汐隆起不再超前 推力消失月球就不再遠離 換句話說 月球不是在逃跑 而是在減速逃離 跑着跑着進就泄了 最終會停在一個不遠不近的位置 跟地球相安無事 只不過這個穩定要等幾百億年 遠在太陽的壽命之外 月球是怎麼來的 目前最主流的說法是大碰撞假說 說起月球起源 得往回看45億年前 1975年 哈特曼和戴維斯在《伊卡魯斯》雜誌上提出 那時有一顆火星大小的天體 後來被起名叫推伊亞 取自希臘神話中 月亮女神塞勒涅的母親 斜着撞上出生的地球 這一撞驚天動地 撞擊能量大到把地球的一部分地脈炸飛出去 連同推伊亞自己的碎片一起 在地球周圍形成一個熾熱的碎片環 這些碎片很快聚集 幾百年到幾千年內聚成月球 剛誕生的月球離地球極近 可能只有兩三萬公里 掛在天上比現在大十幾倍 那時候地球表面也被撞擊烤成了岩漿海 整個地月系統一片火海 這個假說能解釋好幾件事 月球密度比地球低 因爲撞飛的都是地殼地脈物質 重的鐵核留在了地球 月球幾乎沒有鐵核 因爲推伊亞的鐵核沉進了地球 地球和月球的氧同位素比例幾乎一模一樣 因爲它們本就同源 此後月球一路被潮汐力推着往外退 退了45億年 退到如今的38萬公里 還在繼續退 退到什麼時候是個頭 這得看兩個因素 一是太陽還剩多少壽命 二是地月系統能不能在太陽厭氣之前 完成潮汐鎖定 潮汐鎖定是地月系統的終極歸宿 現在月球已經被地球潮汐鎖定 它永遠以同一面朝向地球 所以我們永遠只能看見月球的正面 背面得靠人造探測器才能拍到 月球比地球小 質量只有地球的81分之一 所以先被地球的潮汐力鎖定了 潮汐鎖定還帶來一個副產品 月球正面和背面長得天差地別 正面地勢低平有大片暗色的月海 那是遠古岩漿填充的平原 背面地勢高聳坑坑窪窪 幾乎沒有月海 原因在於潮汐鎖定之後 地球的引力把月球拉成一個微微拉長的橢球 長軸指向地球 質量分佈偏向地球一側 月殼在正面被拉薄 岩漿容易湧出形成月海 背面月殼厚 岩漿上不來 加上無大氣層保護後的隕石無損撞擊 就只能留着滿身傷疤 月球用45億年把自己拽成了這副陰陽臉 全拜潮汐鎖定加隕石撞擊所賜 然而力的作用是相互的 地球自轉會越來越慢 慢到和月球公轉週期一樣 到時候地球也永遠以同一面朝向月球 地球被月球鎖定 那時的一天等於一個月 大約相當於現在的47天 屆時地球上的一半人永遠看得見月亮懸在頭頂 另一半人永遠看不見 不過這個結局遠在天邊 完成雙向潮汐鎖定需要數百億年 而太陽的壽命只剩50億年 50億年後太陽膨脹成紅巨星 外殼擴張到吞沒水星、金星 地球大概率也再見難逃 所以地月系統大概率等不到雙向鎖定的那一天 就被太陽的紅巨星外殼攪散了 月球即便沒被吞掉 也會在太陽膨脹的過程中被攪亂軌道 結局難料 但有一個變化 我們的遠代子孫就會失去它 它就是日全時 現在月球和太陽的視直徑幾乎一模一樣 這是宇宙尺度上極爲罕見的巧合 月球離地球約38萬公里 太陽離地球約1.51公里 前者比後者近約400倍 而月球的直徑也恰好比太陽小約400倍 距離差和大小差抵消 所以從地球上看 月亮的視直徑和太陽幾乎分毫不差 剛好能遮住整個太陽 日全時發生時 月球把太陽的圓面嚴絲合縫地蓋住 只露出太陽大氣那一圈慘白的光韻 白天驟然變暗 鳥獸歸巢 氣溫驟降 這是地球能見到的最震撼的天象之一 這個巧合不是永恆的 月球沒遠一點 視直徑就小一點 再過約6億年 月亮的視直徑會小到再也遮不住整個太陽 日全時將徹底成爲歷史 取而代之的是一圈光環的日環時 我們這個時代的人 恰好活在日全時尚存的窗口期裏 這本身就是一種運氣 恐龍就沒這眼福 他們那個年代月亮太大 遮太陽遮得過頭 日全時時間太長 天黑得久 反倒不如現在這般恰到好處 回頭再看那3.8釐米 一個人活100年 月球才遠了不到4米 擱在38萬公里面前不值一提 可時間這把尺子一旦拉到一年 3.8釐米就變成了4萬公里 5000年文明史 月亮遠了200米 麥子熟了5000次 月亮遠了200米 恐龍時代的月亮比現在大得多 滿月更亮 一個月只有20來天 潮水也比現在兇 難怪有人打趣說恐龍不過中秋節 他們那時候月亮太大 看着聖人 這些數字擺出來 有人焦慮 有人無感 焦慮的人覺得月球跑了總歸不是好事 無感的人覺得幾億年後的事關我什麼事 其實月球遠離這件事 對人類文明的尺度來說影響微乎其微 潮汐會隨着月球遠去而減弱 但減弱得極慢 幾百年內根本察覺不到 真正值得琢磨的是這件事背後的道理 宇宙裏沒有什麼是永恆不變的 連月亮這麼忠誠的伴侶 都在以自己的方式慢慢鬆手 可它鬆手歸鬆手 幾十億年來始終沒有轉過臉 永遠以同一面朝着地球 這份不轉身 比任何不離不棄的誓言都來得實在 古人寫明月幾時有拔酒問青天 問的是月亮的陰晴圓缺 金人算每年3.8釐米 算的是月亮的去留軌跡 從蘇式的酒杯到阿波羅的反射鏡 人類對月亮的好奇心從未變過 變的只是追問的方式 別再用月亮代表我的心來表白了 月球和地球在逐漸遠離 這表示你們的關係會越走越遠 這話聽着像拆臺 可細想想 月亮代表的心本就非是永遠不分開 應是哪怕漸行漸遠 我也始終面朝你 1969年奧爾德林放在月壤上的那面小鏡子 50年裏替人類數着月球遠去的腳步 一步3.8釐米 不急不徐 月球在跑路 可它跑得再遠 那面鏡子還在原地 替地球接住每一束打過去的激光 原路折返 分毫不差 這大概就是宇宙版的月亮代表我的心吧 非是不離開 是離開也給你留個迴音 50多年都過去了 那面小小的鏡子還在月球的近海里 安安靜靜地等着地球打來的下一束光