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你不知道的月球

2014-02-21

知识就是力量 2014年1期
关键词:大潮潮汐天体

在世界各地我们都可以找到人类膜拜月球的印记。中国神话传说中的嫦娥家喻户晓,嫦娥奔月的故事穿越千年流传至今仍然有着巨大的魅力,这从中国第一个探月工程以“嫦娥”命名就可见一斑。每到中秋节,美丽的嫦娥会在舞台上讲述一个动人的传说。古希腊神话中月亮女神阿耳忒弥斯是奥林匹斯十二主神(希腊宗教中最受崇拜的十二位神)之一,她掌管狩猎,照顾妇女分娩,代表女性美及贞洁,深受人民的爱戴。在艺术家的眼中,阿尔忒弥斯清新秀丽,像月亮一样有着美丽而神圣的面容。由此可见,不管是在东方还是西方,月亮都是美的化身。

月球和太阳一样,在古人的精神世界中占据着极其重要的地位。随着科技的发展,特别是物理学和天文学的不断进步,人类对月球有了越来越理性的认识,并且开始有能力拨开曾经笼罩在月球身上的层层迷雾。然而,有一个问题至今还困扰着我们:月球来自何方?

最早流行的一种解释是“同源说”,即在几十亿年之前地球和月球来自于同一团原初的星际物质。这两个天体就像是一对双胞胎兄弟,只不过一个个头儿大、一个个头儿小。但是,正如同卵双胞胎有相同的遗传基因一样,如果“同源说”成立的话,地球和月球应该有很多相似的物理性质,比如密度。可是实际上两者的密度相差悬殊,地球的密度是5.5153g/cm3而月球密度只有3.3464g/cm3。因此,“同源说”显然不具有太大的说服力。

当小型天体运动到大型天体附近的时候,可能会因为大型天体的引力作用而被俘获。这种现象在宇宙中非常普遍。20世纪初,有人就以“俘获说”来解释月球的起源。可是,通过力学计算我们就可以知道,如果上述理论成立的话,必须有除了地月以外的第三个天体存在。旧题未解,新题又生:第三个天体在哪里?

中国人讲究子承父业,但著名生物学家查尔斯·达尔文的儿子乔治·达尔文(George Darwin,1845-1912)却没有这么做,而是选择天文学作为自己的研究领域。他对月球起源的问题非常感兴趣。1878年,他提出月球曾是地球一部分的假说:地球形成初期,一大团物质因为自转速度极快的原因被抛离出去而形成了月球。然而,如果情况真是这样,月球就应该在地球赤道面上围绕地球旋转,而不是像现在这样对黄道有5.145°的倾角。

目前比较主流的月球起源学说产生于20世纪70年代中叶,两位美国天文学家提出了“碰撞说”:原初地球与一个火星大小的天体相撞后,抛射出的物质残尘凝聚形成了月球。这种理论能够解释许多过去无法回答的难题,因此更受学术界的青睐。大碰撞使熔点较低的元素蒸发并把它们驱散,由于只有地壳和地幔的外层部分被冲撞出去,地球的铁核并没有受到影响,这样也就解释了为什么月球物质密度较低并且铁元素含量也较低。

不过,“碰撞说”现在也还有解释不了的问题。同时,包括“爆炸说”在内的新理论也不断出现。因此,要想真正揭开月球的起源之谜尚需时日。

虽然身世扑朔迷离,但是作为地球唯一的卫星以及唯一一个人类到达过的地外星球,相比较其他天体,我们对月球还是有比较多的了解。只不过,长期以来我们不曾见过月球背面的“庐山真面目”。

由于月球的自转周期等于它绕着地球公转的周期,因此月球永远以同一面朝向着地球。这种现象也被称为潮汐锁定。正是因为如此,在航天时代到来之前,人类对月球的认识也仅仅局限于面向我们的这一面(我们可以简单地称之为“正面”,另一面则称为“背面”)。通过早期的观测,我们把这一面分成两部分:明亮的区域称为“月陆”,较暗的区域称为“月海”。进一步的研究发现,月海的纬度比月陆低,充盈其中的较暗的物质是月球火山在以前的活动周期中喷发出来的固态玄武岩;月陆是没有被玄武岩覆盖的区域,它由远古时期的表面岩石、斜长岩和被陨石碰撞出的物质组成。

在很长一段时间里,月球的背面对人类来说都是一个谜。直到1959年苏联月球3号探测器拍摄到了第一张月球背面的影像。1968年美国阿波罗8号执行环绕月球的任务时,宇航员首次直接用眼睛看到了月球背面,人类这才可以一窥月球背面的“庐山真面目”。宇航员威廉·安德斯(William Anders,1933-)这样描述当时所见:“背面看起来像我在孩提时玩过一段时间的沙堆,它们全都被翻起来,没有边界,只是一些碰撞痕和坑洞。”

月球的背面与月球的正面有着非常显著的差异。正面有31.2%的面积被月海所覆盖,而在背面这一比例仅为大约2.5%。背面的主体部分是大量起伏不平的撞击坑,其中就包括位于月球南极附件的南极-艾特肯盆地——它是太阳系中最大的撞击坑之一。造成月球正面和背面之间差异的原因目前还没有定论,比较主流的理论认为这两面接收到的光照不同,从而使得热量在月球表面分配不均,进而造就了不同的月表形态。另外,背面更容易受到各种天体的撞击,这是造成背面撞击坑较多的主要原因。

随着神秘的面纱被逐渐揭开,探索月球背面的意义也开始显现出来。首先在月球背面来自地球的无线电波会被屏蔽,所以这里自然成为建设无线电望远镜的理想地点。另外,科学家们估计月球背面的氦-3(3He)浓度很高。这种物质作为核聚变的原料不会产生核辐射,不会污染环境,因此是非常理想的核燃料。但是地球上氦-3的储量极其稀少。如果能够将月球上的氦-3运回地球作为核燃料,将会极大地造福人类。

人类对月球如此着迷,不仅仅因为它的美丽与神奇,更是因为人类一直就相信月球会对地球上的世界施加巨大的影响。除去宗教和神话故事不说,现代科学也已经证明了月球确实与我们的日常生活息息相关——日复一日、年复一年的潮涨潮落就是一个很好的例子。

说起大潮,国人第一个想到的想必就是钱塘江大潮。随着科技的发展,不能亲临海宁观赏大潮的人们也能通过电视和网络感受钱塘江大潮的魅力。苏轼的名篇传诵千年仍然能够震撼我们的心灵,自然也得益于钱塘江大潮的壮丽景观。不过,在惊叹于大自然的力量的同时,古人却并不了解大潮的形成原因。

直到近代,人们才开始从科学的角度来关注潮汐。1687年,牛顿在《自然哲学的数学原理》一书中奠定了用万有引力定律来研究潮汐的基础。现在我们已经知道太阳和月球的共同作用使地球上出现了潮汐现象,其中月球起到了主要的作用。在新月和满月的时候,太阳、月球和地球在一条线上,太阳的潮汐力会加强月球的潮汐力,潮汐的潮差(相邻的高潮和低潮的潮位高度差)会达到最大,此时的潮汐称为大潮。大潮的时候,高水位高于平均值,而低水位低于平均值。

当月球在上弦或下弦的位置,从地球看到的太阳和月球相差90度。此时太阳的力量抵消了部分的月球力量,使两者的合力效果最小。在月相周期的这种位置上,潮汐的潮差最小,此时的潮汐称为小潮。小潮的时候,高水位和低水位都小于平均值。

千百年来,潮汐对我们人类生活产生了重要的影响。文人墨客面对潮汐吟诗作赋,为我们留下了宝贵的精神财富。船只航行的时候一定要考虑潮汐的作用才能顺利地进出港口。另外,潮汐还有可能是地震的诱因之一。

虽然我们还不能确定月球来自哪儿,虽然月球仍然留给我们很多问号,但是我们还是要感到庆幸,因为在过去几十亿年的时间里这样一个忠实的伙伴始终陪伴着地球。我们要感谢月球在过去的岁月里为我们做过的事情,它挡住了不计其数的飞向地球的天体,一次又一次地挽救了地球上的生命,使得灭顶之灾不会发生。月球带来了潮汐,激发了人类无穷的想象与灵感。在未来,月球还能为人类贡献更多。在一个明月高悬的夜里,我们或许可以像无数祖先一样仰望这个美丽的天体,然后说一句:你好,我亲爱的伙伴!

(责任编辑/鞠 强)

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