月球正在遠離我們。圖片來(lái)源于網(wǎng)絡(luò )。
(文/劉茜）事件:“阿波羅”號登月時(shí)，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(guò)激光往返時(shí)間測算地月距離。結果顯示，月球每年遠離地球約3.8厘米。
月球遠離，“真兇”是誰(shuí)？
1695年，埃德蒙·哈雷開(kāi)始埋首于彗星軌道的研究。這是一件極端需要勤奮與耐心的工作，不光是因為驚人的計算量，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(lái)以他名字命名的彗星的計算，但在那之前，他先發(fā)現了一件看上去匪夷所思的事：
從歷史記錄中的日月食時(shí)間來(lái)看，月球的運行速度似乎發(fā)生了變化?！ ?nbsp;
要是再退回去兩百年，恐怕根本不會(huì )有人相信月亮居然會(huì )有什么改變。幸好在哈雷那個(gè)時(shí)代，科學(xué)剛剛取得了一個(gè)偉大的勝利：《自然哲學(xué)的數學(xué)原理》出版，牛頓的萬(wàn)有引力理論為人類(lèi)提供了分析和認識宇宙的武器。如果沒(méi)有證據表明歷史記錄出了錯，那么記錄下來(lái)的事不管有多難以置信，都應該先認為它發(fā)生了。于是天文學(xué)家們摩拳擦掌地向這個(gè)謎團撲了上去：首先是計算出了月球運動(dòng)的變化量，每一百年多移動(dòng)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世紀末才被察覺(jué)。天文學(xué)家由此計算了月球的軌道，這個(gè)發(fā)現意味著(zhù)它正在遠離我們。沒(méi)人對此感到恐慌，牛頓已經(jīng)告訴了大家，引力揮舞著(zhù)控制整個(gè)太陽(yáng)系乃至整個(gè)宇宙的指揮棒，一定有什么東西的引力影響著(zhù)月球，只需要找出它是誰(shuí)。太陽(yáng)是第一個(gè)“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(guò)接下來(lái)的計算就讓天文學(xué)家們有些挫?。禾?yáng)的影響——專(zhuān)門(mén)術(shù)語(yǔ)叫“攝動(dòng)”——頂多只能解釋月球運動(dòng)變化量的一半，而金星的攝動(dòng)完全可以忽略不計。至于火星，比金星更小又更遠，那就更不能指望了。
解釋這個(gè)現象的最終可能落在了地球身上。在哈雷發(fā)現月球變化的一個(gè)半世紀之后，人們確定了導致月球遠離地球的“真兇”：那就是地球自己。
地月相吸，為何越來(lái)越遠？
假如地球和月球都像高中物理習題集的描述那樣只是一個(gè)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(gè)巨大的球，而且是個(gè)會(huì )變形的巨大的球。要是你曾經(jīng)在皓月當空的夜晚在海邊漫步，就會(huì )對這種變形有著(zhù)深刻的感受。同一個(gè)地點(diǎn)的海面每天會(huì )經(jīng)歷兩次高潮——月球吸引著(zhù)包裹在地球表面的海水，形成一個(gè)橢球形的“水球”，水球的長(cháng)軸方向從地球指向月球。長(cháng)軸方向的海面在一天中達到最高，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，是因為地球表面不同的地方受到不同大小的月球引力，所以物理學(xué)上用“潮汐力”來(lái)稱(chēng)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(méi)有海洋，也照樣會(huì )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(shí)地球在自轉，而月球在繞著(zhù)地球公轉。地球自轉比月球公轉快得多，所以海面的最高點(diǎn)根本來(lái)不及恢復原狀，馬上就會(huì )被地球的自轉帶到月球的前方：瞧，月亮不是漸漸偏西了嗎？這一大團凸出的海水可以近似地和月球單獨“結算”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(dòng)后進(jìn)的結果是月球在軌道上獲得了加速度，來(lái)自地球的引力不能讓它安分待在原來(lái)的軌道上，于是月球竄到了能量更高、離地球更遠的軌道，這就是“潮汐加速”。而地球呢？原本好好的自轉著(zhù)，卻被一團向后的海水拖了后腿，自轉的速度不得不稍微放慢一點(diǎn)。這樣的情況每時(shí)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(jué)得地球的變化似乎很難有切身體會(huì )的話(huà)——過(guò)去 10萬(wàn)年累積下來(lái)，地球的自轉周期一共變慢了1.5 秒，這確實(shí)對我們的生活沒(méi)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，它當初也有自轉，只是它的質(zhì)量比地球小，自轉已經(jīng)被來(lái)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“吃里爬外”的行為才會(huì )結束，科學(xué)家估計這需要好幾十億年的時(shí)間。到那個(gè)時(shí)候，潮起潮落和月升月落將變成遠古的歷史名詞，歷法也必將面目全非：一天和一個(gè)月長(cháng)度相等，都是現在一天（24 小時(shí)）長(cháng)度的47倍，一年只有不到 8天。我們太陽(yáng)系的近鄰里就有這么一對兒榜樣：冥王星和它的衛星冥衛一。這兩個(gè)天體的質(zhì)量差異更小、彼此距離更近，早早地就達到了彼此的潮汐鎖定，面對面地繞著(zhù)共同質(zhì)心旋轉，仿佛跳著(zhù)默契的雙人華爾茲一般。天體質(zhì)量差別太大的系統就不太“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(lái)，比如木星和土星的某些衛星的遭遇。
月球曾有多近，海洋知道答案
月球正在逐漸遠離我們，那么它以前一定離地球很近，要是反推回去足夠久遠的時(shí)間——影響彼此的演化。這正是目前天文學(xué)家仍對地月系統間的潮汐加速興趣不減的原因，因為這也許能幫助我們揭開(kāi)月球的起源之謎。這種從現有的少量數據出發(fā)，向數值范圍外的大膽推演是天文學(xué)家相當依賴(lài)的一種思考方式——誰(shuí)讓他們研究的對象時(shí)間跨度那么大，而他們能夠觀(guān)測到的證據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，那才真的瞠目結舌呢。整個(gè)宇宙都被他們回溯成了一個(gè)奇點(diǎn)，比較起來(lái)，給地月系統回溯出一個(gè)肩并肩的過(guò)去那真不算什么。
月球現在遠離我們的速度可以非常精確地量出來(lái)：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在的自轉周期變化，目前的速度是每過(guò)一百年，一天的長(cháng)度增加2.3毫秒。
要是這個(gè)速度一直不曾改變的話(huà)，我們就能直接算出恐龍時(shí)代的一天有多長(cháng)了：從6500萬(wàn)年前它們滅絕那會(huì )兒到現在，地球的自轉周期大約增加了25分鐘。不幸的是，地球自轉的放緩不可能是均勻的，不能用現在的數據來(lái)計算以前的情況。那我們怎么能知道遠古以前地球是怎樣自轉的呢？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(lái)說(shuō)，從地球上出現海洋的那一刻起，潮汐作用就穩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(guò)我們找不到那么遙遠的證據，因為地球的板塊運動(dòng)讓地殼的巖石始終不斷地循環(huán)，大部分的古老巖石都湮沒(méi)在巖漿中。從原核生物沉積形成的疊層石記錄看來(lái)，至少在25億年前，地球就顯著(zhù)地受到潮汐作用影響。地質(zhì)學(xué)家們研究了遠古時(shí)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”——得出結論說(shuō)9億年前地球上的一天大約只有18個(gè)小時(shí)，一年大概有481天；另一片6.2億年前的潮汐韻律層說(shuō)明，當時(shí)的一天有21.9個(gè)小時(shí)，一年大約有400天，合13個(gè)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(gè)地球46億年的演化過(guò)程中，地表發(fā)生過(guò)無(wú)數次滄海桑田的變化。光是冰期和間冰期之間的變動(dòng)就會(huì )讓潮汐的大小產(chǎn)生明顯的不同，而由遠古時(shí)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。目前地球自轉的變慢幅度是長(cháng)期以來(lái)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)于晝夜節律的線(xiàn)索。珊瑚和貝類(lèi)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(cháng)速度有著(zhù)明顯的 不同，并且也會(huì )體現出明顯的四季變化。于是，從它們的生長(cháng)痕跡中就能辨別出一年的天數?，F代的珊瑚每年會(huì )長(cháng)出大約360根體現晝夜變化的生長(cháng)紋，而在泥盆紀的珊瑚化石中，發(fā)現的生長(cháng)紋大約是400根。更有意思的是，把從4億年前到6500萬(wàn)年前的貝類(lèi)化石按照年代排序，會(huì )發(fā)現年代越早的化石，體現出的生長(cháng)紋越多。
月球軌道的演變，在地球遠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做出了貢獻。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定下來(lái)，使地球表面的環(huán)境相對平穩，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，但始終還將陪伴在我們身邊。天文學(xué)家計算過(guò)，大約 20億年后，膨脹的太陽(yáng)將把地球表面的海水蒸干，那時(shí)月球的遠行步伐會(huì )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(yáng)吞沒(méi)地球，地老天荒的時(shí)候才會(huì )終結。
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