誰正在把月球推走？

劉茜

事件：“阿波羅”號登月時，宇航員在月球表面安放了一面鏡子（測距儀）。此后，科學(xué)家從地球上向這面鏡子發(fā)射激光，并通過激光往返時間測算地月距離。結(jié)果顯示，月球每年遠(yuǎn)離地球約3.8厘米。

月球遠(yuǎn)離，“真兇”是誰？

1695年，埃德蒙·哈雷開始埋頭于彗星軌道的研究。這是一件極其需要勤奮與耐心的工作，不光是因?yàn)轶@人的計算量，還有從卷帙浩繁的故紙堆里一點(diǎn)點(diǎn)搜尋相關(guān)記載的水磨工夫。直到十年后哈雷才發(fā)表了關(guān)于那顆后來以他名字命名的彗星的計算的文章，但在那之前，他先發(fā)現(xiàn)了一件看上去匪夷所思的事。

從歷史記錄中的日月食時間來看，月球的運(yùn)行速度似乎發(fā)生了變化。

要是再退回去兩百年，恐怕根本不會有人相信月亮居然會有什么改變。幸好在哈雷那個時代，科學(xué)剛剛?cè)〉昧艘粋€偉大的勝利：《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》出版，牛頓的萬有引力理論為人類提供了分析和認(rèn)識宇宙的武器。如果沒有證據(jù)表明歷史記錄出了錯，那么記錄下來的事不管有多難以置信，都應(yīng)該先認(rèn)為它發(fā)生了。于是天文學(xué)家們摩拳擦掌地向這個謎團(tuán)撲了上去：首先是計算出了月球運(yùn)動的變化量，每一百年多移動了10角秒。10角秒是多大的距離？它僅僅是1度的1/360。這樣的變化真是太微乎其微了，難怪直到17世紀(jì)末才被察覺。天文學(xué)家由此計算了月球的軌道，這個發(fā)現(xiàn)意味著它正在遠(yuǎn)離我們。沒人對此感到恐慌，牛頓已經(jīng)告訴了大家，引力揮舞著控制整個太陽系乃至整個宇宙的指揮棒，一定有什么東西的引力影響著月球，只需要找出它是誰。太陽是第一個“嫌犯”：它的質(zhì)量最大，引力作用想必也最大。其次是金星，它是離地球最近的行星。不過接下來的計算就讓天文學(xué)家們有些挫?。禾柕挠绊憽獙ｉT術(shù)語叫“攝動”——頂多只能解釋月球運(yùn)動變化量的一半，而金星的攝動完全可以忽略不計。至于火星，比金星更小又更遠(yuǎn)，那就更不能指望了。

解釋這個現(xiàn)象的最終可能落在了地球身上。在哈雷發(fā)現(xiàn)月球變化的一個半世紀(jì)之后，人們確定了導(dǎo)致月球遠(yuǎn)離地球的“真兇”：那就是地球自己。

地月相吸，為何越來越遠(yuǎn)？

假如地球和月球都像高中物理習(xí)題集的描述那樣只是一個質(zhì)點(diǎn)，那地球的引力是絕不可能反而把月球推走的。但它們在真實(shí)世界中不但是個巨大的球，而且是個會變形的巨大的球。要是你曾經(jīng)在皓月當(dāng)空的夜晚在海邊漫步，就會對這種變形有著深刻的感受。同一個地點(diǎn)的海面每天會經(jīng)歷兩次高潮——月球吸引著包裹在地球表面的海水，形成一個橢球形的“水球”，水球的長軸方向從地球指向月球。長軸方向的海面在一天中達(dá)到最高，這是“潮”；短軸方向的海面在一天中最低，這是“汐”。

潮和汐的產(chǎn)生，是因?yàn)榈厍虮砻娌煌牡胤绞艿讲煌笮〉脑虑蛞?，所以物理學(xué)上用“潮汐力”來稱呼由于引力差異而產(chǎn)生的力。地球在月球的影響下產(chǎn)生潮汐，月球雖然表面沒有海洋，也照樣會在地球的影響下產(chǎn)生非常微小的拉伸變形，不妨把這看作是固體的“潮汐”。

現(xiàn)在你退到海岸的高處，海面不斷升高，浸濕了沙灘。別忘了，與此同時地球在自轉(zhuǎn)，而月球在繞著地球公轉(zhuǎn)。地球自轉(zhuǎn)比月球公轉(zhuǎn)快得多，所以海面的最高點(diǎn)根本來不及恢復(fù)原狀，馬上就會被地球的自轉(zhuǎn)帶到月球的前方：瞧，月亮不是漸漸偏西了嗎？這一大團(tuán)凸出的海水可以近似地和月球單獨(dú)“結(jié)算”引力，前方的海水和落在它身后的月球互相拉扯。先進(jìn)帶動后進(jìn)的結(jié)果是月球在軌道上獲得了加速度，來自地球的引力不能讓它安分待在原來的軌道上，于是月球竄到了能量更高、離地球更遠(yuǎn)的軌道，這就是“潮汐加速”。而地球呢？原本好好地自轉(zhuǎn)著，卻被一團(tuán)向后的海水拖了后腿，自轉(zhuǎn)的速度不得不稍微放慢一點(diǎn)。這樣的情況每時每刻都在地球的海面上發(fā)生，日積月累，后果終于變得不可忽略。

要是你覺得地球的變化似乎很難有切身體會的話——過去 10萬年累積下來，地球的自轉(zhuǎn)周期一共變慢了1.5 秒，

這確實(shí)對我們的生活沒啥影響。那么我們不妨抬頭看看月球，月球并不是天生這樣癡心一片朝向我們的，它當(dāng)初也有自轉(zhuǎn)，只是它的質(zhì)量比地球小，自轉(zhuǎn)已經(jīng)被來自地球的潮汐力“消滅”了。月球表面的固體潮最后被牢牢地鎖定在正對地球的方向，永遠(yuǎn)只能用同一面朝向地球，這就是“潮汐鎖定”。

質(zhì)量較小的月球已經(jīng)被鎖定了，質(zhì)量較大的地球也正前進(jìn)在被鎖定的路上。月球在潮汐的幫助下，不斷地“偷走”地球自轉(zhuǎn)的能量，一直要到地球的海潮也被鎖定在正對月球的方向，潮汐的這種“吃里扒外”的行為才會結(jié)束，科學(xué)家估計這需要好幾十億年的時間。到那個時候，潮起潮落和月升月落將變成遠(yuǎn)古的歷史名詞，歷法也必將面目全非：一天和一個月長度相等，都是現(xiàn)在一天（24 小時）長度的47倍，一年只有不到 8天。我們太陽系的近鄰里就有這么一對兒榜樣：冥王星和它的衛(wèi)星冥衛(wèi)一。這兩個天體的質(zhì)量差異更小、彼此距離更近，早早地就達(dá)到了彼此的潮汐鎖定，面對面地繞著共同質(zhì)心旋轉(zhuǎn)，仿佛跳著默契的雙人華爾茲一般。天體質(zhì)量差別太大的系統(tǒng)就不太“公平”了，小天體不但被單方面“鎖定”，還要被大天體的潮汐力捏圓再捏扁，甚至可以把它捏出噴泉來，比如木星和土星的某些衛(wèi)星的遭遇。

月球曾有多近，海洋知道答案

月球正在逐漸遠(yuǎn)離我們，那么它以前一定離地球很近，要是反推回去足夠久遠(yuǎn)的時間——影響彼此的演化。這正是目前天文學(xué)家仍對地月系統(tǒng)間的潮汐加速興趣不減的原因，因?yàn)檫@也許能幫助我們揭開月球的起源之謎。這種從現(xiàn)有的少量數(shù)據(jù)出發(fā)，向數(shù)值范圍外的大膽推演是天文學(xué)家相當(dāng)依賴的一種思考方式——誰讓他們研究的對象時間跨度那么大，而他們能夠觀測到的證據(jù)相對而言又那么少呢？你要是知道他們怎么測量宇宙，怎么熟練地像下跳棋一樣從幾十光年跳到幾十億光年的尺度，那才真的瞠目結(jié)舌呢。整個宇宙都被他們回溯成了一個奇點(diǎn)，比較起來，給地月系統(tǒng)回溯出一個肩并肩的過去那真不算什么。

月球現(xiàn)在遠(yuǎn)離我們的速度可以非常精確地量出來：阿波羅計劃在月面上安裝了測距儀，測出地月距離每年增加大約38毫米，恰好是目前地月平均距離的一百億分之一；由此可以計算出地球現(xiàn)在的自轉(zhuǎn)周期變化，目前的速度是每過一百年，一天的長度增加2.3毫秒。

要是這個速度一直不曾改變的話，我們就能直接算出恐龍時代的一天有多長了：從6500萬年前它們滅絕那會兒到現(xiàn)在，地球的自轉(zhuǎn)周期大約增加了25分鐘。不幸的是，地球自轉(zhuǎn)的放緩不可能是均勻的，不能用現(xiàn)在的數(shù)據(jù)來計算以前的情況。那我們怎么能知道遠(yuǎn)古以前地球是怎樣自轉(zhuǎn)的呢？天文學(xué)家尋找到了額外的助力：他們得到了地質(zhì)學(xué)家和古生物學(xué)家的幫助。

按理來說，從地球上出現(xiàn)海洋的那一刻起，潮汐作用就穩(wěn)定地施加在了地球身上，也在地球表面的巖石上留下了痕跡。不過我們找不到那么遙遠(yuǎn)的證據(jù)，因?yàn)榈厍虻陌鍓K運(yùn)動讓地殼的巖石始終不斷地循環(huán)，大部分的古老巖石都淹沒在巖漿中。從原核生物沉積形成的疊層石記錄看來，至少在25億年前，地球就顯著地受到潮汐作用影響。地質(zhì)學(xué)家們研究了遠(yuǎn)古時期的受潮汐影響的沉積巖層——他們管這種巖層叫“潮汐韻律層”——得出結(jié)論說9億年前地球上的一天大約只有18個小時，一年大概有481天；另一片6.2億年前的潮汐韻律層說明，當(dāng)時的一天有21.9個小時，一年大約有400天，合13個月。

地月間潮汐作用的大小受到地球陸地和海洋分布的影響，而在整個地球46億年的演化過程中，地表發(fā)生過無數(shù)次滄海桑田的變化。光是冰期和間冰期之間的變動就會讓潮汐的大小產(chǎn)生明顯的不同，而由遠(yuǎn)古時期的超大陸、超大洋變?yōu)槿缃竦钠叽笾?、四大洋，其間的差異更是翻天覆地。目前地球自轉(zhuǎn)的變慢幅度是長期以來最快的，以前的變化要更小一些。除了沉積巖層之外，古代的生物也提供了關(guān)于晝夜節(jié)律的線索。珊瑚和貝類是已經(jīng)在地球上存在了至少4億年的物種，這兩種生物在環(huán)境合適的條件下，晝夜的生長速度有著明顯的不同，并且也會體現(xiàn)出明顯的四季變化。于是，從它們的生長痕跡中就能辨別出一年的天數(shù)?，F(xiàn)代的珊瑚每年會長出大約360根體現(xiàn)晝夜變化的生長紋，而在泥盆紀(jì)的珊瑚化石中，發(fā)現(xiàn)的生長紋大約是400根。更有意思的是，把從4億年前到6500萬年前的貝類化石按照年代排序，會發(fā)現(xiàn)年代越早的化石，體現(xiàn)出的生長紋越多。

月球軌道的演變，在地球遠(yuǎn)古的生物身上留下了痕跡。而月球本身，也為地球生命的出現(xiàn)做出了貢獻(xiàn)。由于月球巨大的質(zhì)量，地月之間的潮汐作用很快讓地球的軌道穩(wěn)定下來，使地球表面的環(huán)境相對平穩(wěn)，從而有利于原始生命的誕生。如今的月球雖然與地球漸行漸遠(yuǎn)，但始終還將陪伴在我們身邊。天文學(xué)家計算過，大約 20億年后，膨脹的太陽將把地球表面的海水蒸干，那時月球的遠(yuǎn)行步伐會進(jìn)一步放慢。地月之間這段?？菔癄€的緣分，要直到45億年后太陽吞沒地球，地老天荒的時候才會終結(jié)。（來源：《知識就是力量》，轉(zhuǎn)載時文字略有改動。）