谁正在把月球推走？

刘茜

事件：“阿波罗”号登月时，宇航员在月球表面安放了一面镜子（测距仪）。此后，科学家从地球上向这面镜子发射激光，并通过激光往返时间测算地月距离。结果显示，月球每年远离地球约3.8厘米。

月球远离，“真凶”是谁？

1695年，埃德蒙·哈雷开始埋头于彗星轨道的研究。这是一件极其需要勤奋与耐心的工作，不光是因为惊人的计算量，还有从卷帙浩繁的故纸堆里一点点搜寻相关记载的水磨工夫。直到十年后哈雷才发表了关于那颗后来以他名字命名的彗星的计算的文章，但在那之前，他先发现了一件看上去匪夷所思的事。

从历史记录中的日月食时间来看，月球的运行速度似乎发生了变化。

要是再退回去两百年，恐怕根本不会有人相信月亮居然会有什么改变。幸好在哈雷那个时代，科学刚刚取得了一个伟大的胜利：《自然哲学的数学原理》出版，牛顿的万有引力理论为人类提供了分析和认识宇宙的武器。如果没有证据表明历史记录出了错，那么记录下来的事不管有多难以置信，都应该先认为它发生了。于是天文学家们摩拳擦掌地向这个谜团扑了上去：首先是计算出了月球运动的变化量，每一百年多移动了10角秒。10角秒是多大的距离？它仅仅是1度的1/360。这样的变化真是太微乎其微了，难怪直到17世纪末才被察觉。天文学家由此计算了月球的轨道，这个发现意味着它正在远离我们。没人对此感到恐慌，牛顿已经告诉了大家，引力挥舞着控制整个太阳系乃至整个宇宙的指挥棒，一定有什么东西的引力影响着月球，只需要找出它是谁。太阳是第一个“嫌犯”：它的质量最大，引力作用想必也最大。其次是金星，它是离地球最近的行星。不过接下来的计算就让天文学家们有些挫败：太阳的影响——专门术语叫“摄动”——顶多只能解释月球运动变化量的一半，而金星的摄动完全可以忽略不计。至于火星，比金星更小又更远，那就更不能指望了。

解释这个现象的最终可能落在了地球身上。在哈雷发现月球变化的一个半世纪之后，人们确定了导致月球远离地球的“真凶”：那就是地球自己。

地月相吸，为何越来越远？

假如地球和月球都像高中物理习题集的描述那样只是一个质点，那地球的引力是绝不可能反而把月球推走的。但它们在真实世界中不但是个巨大的球，而且是个会变形的巨大的球。要是你曾经在皓月当空的夜晚在海边漫步，就会对这种变形有着深刻的感受。同一个地点的海面每天会经历两次高潮——月球吸引着包裹在地球表面的海水，形成一个椭球形的“水球”，水球的长轴方向从地球指向月球。长轴方向的海面在一天中达到最高，这是“潮”；短轴方向的海面在一天中最低，这是“汐”。

潮和汐的产生，是因为地球表面不同的地方受到不同大小的月球引力，所以物理学上用“潮汐力”来称呼由于引力差异而产生的力。地球在月球的影响下产生潮汐，月球虽然表面没有海洋，也照样会在地球的影响下产生非常微小的拉伸变形，不妨把这看作是固体的“潮汐”。

现在你退到海岸的高处，海面不断升高，浸湿了沙滩。别忘了，与此同时地球在自转，而月球在绕着地球公转。地球自转比月球公转快得多，所以海面的最高点根本来不及恢复原状，马上就会被地球的自转带到月球的前方：瞧，月亮不是渐渐偏西了吗？这一大团凸出的海水可以近似地和月球单独“结算”引力，前方的海水和落在它身后的月球互相拉扯。先进带动后进的结果是月球在轨道上获得了加速度，来自地球的引力不能让它安分待在原来的轨道上，于是月球窜到了能量更高、离地球更远的轨道，这就是“潮汐加速”。而地球呢？原本好好地自转着，却被一团向后的海水拖了后腿，自转的速度不得不稍微放慢一点。这样的情况每时每刻都在地球的海面上发生，日积月累，后果终于变得不可忽略。

要是你觉得地球的变化似乎很难有切身体会的话——过去 10万年累积下来，地球的自转周期一共变慢了1.5 秒，

这确实对我们的生活没啥影响。那么我们不妨抬头看看月球，月球并不是天生这样痴心一片朝向我们的，它当初也有自转，只是它的质量比地球小，自转已经被来自地球的潮汐力“消灭”了。月球表面的固体潮最后被牢牢地锁定在正对地球的方向，永远只能用同一面朝向地球，这就是“潮汐锁定”。

质量较小的月球已经被锁定了，质量较大的地球也正前进在被锁定的路上。月球在潮汐的帮助下，不断地“偷走”地球自转的能量，一直要到地球的海潮也被锁定在正对月球的方向，潮汐的这种“吃里扒外”的行为才会结束，科学家估计这需要好几十亿年的时间。到那个时候，潮起潮落和月升月落将变成远古的历史名词，历法也必将面目全非：一天和一个月长度相等，都是现在一天（24 小时）长度的47倍，一年只有不到 8天。我们太阳系的近邻里就有这么一对儿榜样：冥王星和它的卫星冥卫一。这两个天体的质量差异更小、彼此距离更近，早早地就达到了彼此的潮汐锁定，面对面地绕着共同质心旋转，仿佛跳着默契的双人华尔兹一般。天体质量差别太大的系统就不太“公平”了，小天体不但被单方面“锁定”，还要被大天体的潮汐力捏圆再捏扁，甚至可以把它捏出喷泉来，比如木星和土星的某些卫星的遭遇。

月球曾有多近，海洋知道答案

月球正在逐渐远离我们，那么它以前一定离地球很近，要是反推回去足够久远的时间——影响彼此的演化。这正是目前天文学家仍对地月系统间的潮汐加速兴趣不减的原因，因为这也许能帮助我们揭开月球的起源之谜。这种从现有的少量数据出发，向数值范围外的大胆推演是天文学家相当依赖的一种思考方式——谁让他们研究的对象时间跨度那么大，而他们能够观测到的证据相对而言又那么少呢？你要是知道他们怎么测量宇宙，怎么熟练地像下跳棋一样从几十光年跳到几十亿光年的尺度，那才真的瞠目结舌呢。整个宇宙都被他们回溯成了一个奇点，比较起来，给地月系统回溯出一个肩并肩的过去那真不算什么。

月球现在远离我们的速度可以非常精确地量出来：阿波罗计划在月面上安装了测距仪，测出地月距离每年增加大约38毫米，恰好是目前地月平均距离的一百亿分之一；由此可以计算出地球现在的自转周期变化，目前的速度是每过一百年，一天的长度增加2.3毫秒。

要是这个速度一直不曾改变的话，我们就能直接算出恐龙时代的一天有多长了：从6500万年前它们灭绝那会儿到现在，地球的自转周期大约增加了25分钟。不幸的是，地球自转的放缓不可能是均匀的，不能用现在的数据来计算以前的情况。那我们怎么能知道远古以前地球是怎样自转的呢？天文学家寻找到了额外的助力：他们得到了地质学家和古生物学家的帮助。

按理来说，从地球上出现海洋的那一刻起，潮汐作用就稳定地施加在了地球身上，也在地球表面的岩石上留下了痕迹。不过我们找不到那么遥远的证据，因为地球的板块运动让地壳的岩石始终不断地循环，大部分的古老岩石都淹没在岩浆中。从原核生物沉积形成的叠层石记录看来，至少在25亿年前，地球就显著地受到潮汐作用影响。地质学家们研究了远古时期的受潮汐影响的沉积岩层——他们管这种岩层叫“潮汐韵律层”——得出结论说9亿年前地球上的一天大约只有18个小时，一年大概有481天；另一片6.2亿年前的潮汐韵律层说明，当时的一天有21.9个小时，一年大约有400天，合13个月。

地月间潮汐作用的大小受到地球陆地和海洋分布的影响，而在整个地球46亿年的演化过程中，地表发生过无数次沧海桑田的变化。光是冰期和间冰期之间的变动就会让潮汐的大小产生明显的不同，而由远古时期的超大陆、超大洋变为如今的七大洲、四大洋，其间的差异更是翻天覆地。目前地球自转的变慢幅度是长期以来最快的，以前的变化要更小一些。除了沉积岩层之外，古代的生物也提供了关于昼夜节律的线索。珊瑚和贝类是已经在地球上存在了至少4亿年的物种，这两种生物在环境合适的条件下，昼夜的生长速度有着明显的不同，并且也会体现出明显的四季变化。于是，从它们的生长痕迹中就能辨别出一年的天数。现代的珊瑚每年会长出大约360根体现昼夜变化的生长纹，而在泥盆纪的珊瑚化石中，发现的生长纹大约是400根。更有意思的是，把从4亿年前到6500万年前的贝类化石按照年代排序，会发现年代越早的化石，体现出的生长纹越多。

月球轨道的演变，在地球远古的生物身上留下了痕迹。而月球本身，也为地球生命的出现做出了贡献。由于月球巨大的质量，地月之间的潮汐作用很快让地球的轨道稳定下来，使地球表面的环境相对平稳，从而有利于原始生命的诞生。如今的月球虽然与地球渐行渐远，但始终还将陪伴在我们身边。天文学家计算过，大约 20亿年后，膨胀的太阳将把地球表面的海水蒸干，那时月球的远行步伐会进一步放慢。地月之间这段海枯石烂的缘分，要直到45亿年后太阳吞没地球，地老天荒的时候才会终结。（来源：《知识就是力量》，转载时文字略有改动。）