月球形成之谜

周小光

从古至今，悬挂在夜空中的一轮明月，都是人类心目中最亲近、最熟悉的天体。关于月球 ，我们有嫦娥奔月、玉兔捣药和吴刚伐木的神话传说;古希腊有月桂女神的故事;古印度人甚至认为月亮代表男性，地球代表女性。然而，这个从人类文明诞生时就陪伴我们的朋友——月球，其形成原因却一直都是一个谜。虽然科学家通过种种假说试图解释月球形成的原因，但却总存在各种瑕疵和争议。2014年以来，最新的科学发现又让原本最有可能“胜出”的“碰撞假说”出现危机，如今这个千古之谜，变得更加扑朔迷离。

关于月球形成的不同假说

研究月球的形成，其实也就是研究地球和月球之间的关系。关于地月关系，学术界有几种不同的理论假说，包括共积说、捕获说、分裂说和碰撞说。

共积说的观点是，月球和地球同时形成于太阳系的同一物质源区。捕获说认为月球和地球形成于太阳系不同的区域，后来在某种情况下，由于地球引力的原因，月球被拉捕到近地轨道。分裂说的理论认为，在地球形成的早期，由于地球的自转速度很高，甩出去一部分地球物质，这一部分物质碰撞聚合形成了月球。碰撞说则认为，在地球形成的早期，当时的地球可能只有现在地球的一半那么大，后被一个火星大小的行星撞击，撞飞的那一部分物质形成了目前的月球 。还有一种碰撞说认为，是两个大小差不多的星体碰撞聚合形成了地球。

这些假说，各有优劣。共积说的问题在于不能解释地球和月球之间的角速度，以及为什么月球的金属核占月球的总比重相对于地核占地球的比重要小得多。我们知道，太阳系的行星由内向外分为两大部分，中心是一个主要由金属组成的内核，围绕着金属内核的是由矿物盐组成的幔部和表壳。

碰撞说示意图

捕获说目前基本上已经被学界放弃，因为完全不能解释为什么月球和地球的很多同位素组成完全一样。同位素，顾名思义，就是在元素周期表上占有同一方格位置的物质。这些物质的质子数相同，而中子数不同。比如，氧（元素符号是O）这种元素，有3个同位素，16O、17O和18O。在太阳星云的不同位置，16O、17O和18O三者之间的相互比值是不一样的。在靠近太阳的行星，如金星，温度比较高，16O的含量就比较少;远离太阳的行星，比如海王星，16O的含量就要比靠近太阳的行星多。因此，如果月球和地球形成于太阳系的不同区域，那么它们的氧同位素就会不同。

分裂说不仅不能解释地月系统的角速度问题，还认为形成月球的物质就是从目前太平洋那个“大坑”甩出去的那一部分物质。但是，实际上月球上岩石形成的时间要比太平洋形成的时间早得多。月球大约形成于45亿年前，而太平洋是在0.07亿年前因为冈瓦纳古老大陆裂解形成的。

相比较而言，碰撞说能从动力学角度解释地月系统的角速度问题，但是不能解释为什么地球和月球的很多同位素组成完全一样。如果月球是因为地球被小行星碰撞形成的，那么碰撞过程中爆发的大量能量必然会导致比较轻的同位素（如16O）逃跑得比较快，而比较重的同位素（如18O）会逃跑得比较慢。如果月球是地球飞溅出来的物质形成的话，月球就会比地球含有更少的16O，因此月球的16O/18O的数值就要比地球的高。

2001年发表的氧同位素研究发现，地球和月球的氧同位素组成是一样的，这一发现直接挑战了碰撞说。由于科学界对碰撞说“情有独钟”以及科学家们固有的严谨的科学态度，人们尝试了各种方法挽救碰撞说。一种挽救的说法是，碰撞后飞溅出来的物质其实形成了一个围绕地球的熔融星盘（这个熔融星盘最后形成了月球），这个熔融星盘和地球之间发生氧同位素沟通互动，最后导致地球和月球的氧同位素达到了一致。另外一种挽救的说法是，氧是极其容易挥发的元素，即便是在行星大碰撞过程中发生了16O的逃逸，当时的观测精仪器也测不出月球和地球的16O/18O数值有什么不同。

十几年以后，也就是2014年，科学家们改进了仪器和测定16O/18O的方法，发现月球和地球的氧同位素数据确实略有不同。但是，这种差异是什么原因造成的，在科学界却有不同的看法。有人认为月球和地球之间的氧同位素差异，可能是当时撞击地球的那颗小行星的特征。还有人认为后期增积假说也能造成月球和地球的氧同位素不同。后期增积假说指的是在地球被撞、月球形成之后，还有后续的大量的陨石掉到地球上。这个后期增积的陨石量大概占到地球总质量的0.5%。

分裂说示意图

钨同位素带来新的“危机”

如果说用氧这种挥发性很强的元素不能解决月球的形成问题，那么什么元素可以用来解决这一问题呢？答案是：不挥发元素。如果以一种不挥发元素为标准，月球和地球的这种元素的组成就应该是一样的。钨就是这样一种元素，它在高温条件下也不挥发，比如电灯泡里面的灯丝就是用钨做成的。但是对月球来说，事情并没有想象的这么简单。

2015年《自然》杂志上同期发表了两篇关于月球钨同位素（187W/188W）的文章，均证实月球的钨同位素组成和地球不一样。这一发现让碰撞说雪上加霜。但是，和解释氧同位素一样，人们也尝试用后期增积假说来挽救碰撞说。因为月球形成以后，如果给地球加入一定量的陨石物质之后，比如加入占地球总重量0.5%的陨石物质，确实能导致地球和月球的钨同位素组成不同。当然，月球在形成以后也接受了一些陨石物质，但是因为地球比月球大得多，所以地球接收到的陨石物质要比月球多得多。不过这一解释，并未获得完全认可。

月球形成的诸多理论，在层层检验过程中，已经只剩下碰撞说，如今碰撞说也遇到了危机。但危机并不意味着“天塌地陷”，危机历来都是新生的母体。科学就是这样一步一步前进的，通过不断改变仪器设备，不断开发新的测试分析技术，对已有的理论提出质疑。比如，在美国阿波罗登月计划之前，人们对月球形成的任何说法都只能属于猜想。如果没有阿波罗计划从月球上采集的样品，人们怎么知道月球的年龄要比太平洋大得多，从而证明分裂说是错误的？如果没有计算机的发明，人们怎么能通过计算机模拟来分辨哪个假说是相对可靠的？如果没有高精度质谱仪的发明，人们怎么能准确测定月球和地球的同位素组成，从而质疑碰撞说？

科学没有“一蹴而就”的本事，干不出“毕其功于一役”的事情来，就算是爱因斯坦的广义相对论也仍然处于不断地修改和完善中。科学只能一步步去伪存真，一步步逼近真实，通过不断地检验，最终知道什么是最可靠的。

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为什么“嫦娥计划”值得关注？

目前关于月球的研究有一个巨大的缺陷，那就是不仅大部分月球样品 （总重量只有400千克左右）都是美国航空航天局的阿波罗计划采自月球靠近地球的一面，而且采样点又局限在几个大的月球表面的陨石撞击坑周边，没有一件样品采自月球远离地球的一面。那些掉到地球上的月球陨石，风化蚀变太严重，不能用来解决科学问题。或许，目前所采集到的月球样品不能代表月球本身。这也正是我国嫦娥计划必须进行的原因，也是为什么嫦娥计划得到了全球科学家关注的主要原因。如果我国未来的嫦娥计划能够采到月球远离地球一面的样品，必定能够在很大程度上解决月球样品的代表性问题，能够解决月球的形成这一困扰了人类几千年的谜题。

【责任编辑】张小萌