第四节 月球

第四节 月球

经过各种方式测量，月球到地球的平均距离不到24万英里。这个距离是直接测量视差（parallax）得出的，后面会具体解释，还可以通过计算月球在太空中在围绕地球的轨道上周期运行得出月球到地球的距离。月球的轨道是椭圆形的，因此实际距离会出现不同结果。有时这个距离不到1万英里或1.5万英里，有时则大于平均值。

月球的直径比地球直径的1/4大一些，准确地说是2 160英里。最精密的测量都显示其无异于一个球体，只是表面非常不规则。

月球公转和月相

月球伴随地球一道围绕太阳公转，如图16所示。这两种运动结合在一起似乎有些复杂，但其实并非如此。想象高速行驶的火车车厢中央有一把椅子，一个人以3英尺为半径围绕椅子行走。他可以一直这样一圈一圈地走，不会改变他与椅子的距离，火车的行驶也不会给他造成任何不良影响。如此，地球在其轨道上向前运行，月球持续围绕地球旋转，而相对于地球的距离并不会发生多大变化。

月亮绕地球公转的实际时间是27天零8小时，但是从一次新月到另一次新月的时间是29天零13小时。这种差异是地球围绕太阳的公转造成的，或者说是太阳沿着黄道的视运动造成的，二者其实是一回事。

如图16所示，AC弧是地球绕日公转轨道上的一小段弧。设想某一时刻地球在E点，月亮在M点，正好在地球和太阳之间。27天零8小时之后地球将从E点移动到F点。在地球运行的同时，月球也如箭头所示的方向在轨道上运行到达N点。此时直线EM和FN平行，月球完成一个公转周期，看起来在群星中的位置似乎与之前相同。可是太阳现在在FS方向上，因此月球必须继续运行才能和太阳在一条直线上。这还需要2天多的时间，于是两次新月之间的时间就成为29天半。

月亮的不同月相取决于其相对于太阳的位置。作为一个不透明的球体，月球本身不发光，我们只能在太阳光照射在它上面的时候才能看见月亮。当月球在地球和太阳之间时，月球的暗面面向我们，月亮便完全看不见了。月亮在这个位置上时历书上称为新月，但是我们通常在此之后将近两天都看不到月亮，因为暮色的微光遮蔽了月亮。不过，此后第二天或者第三天我们会看到月球被太阳光照亮的一小部分，呈现出那熟悉的纤细的月牙形状。我们通常将这一轮月牙称为新月，尽管历书上给出的新月时间要早几天。

图16 月球绕地球的公转

月亮在这个位置上时，如果天气晴朗，我们可以连续数天看到整个月面，亮度较暗的部分闪烁着苍白的微光，这部分苍白的微光是从地球反射到月球上的光线。如果月球上有居民的话，此时会看到地球像一轮满月出现在天空，看起来比我们看到的月亮要大多了。月亮在其轨道上日复一日继续前行，这部分微光随之逐渐减弱，大约上弦月时，这部分微光因为月球被阳光照亮部分的亮度增强而从我们的视线中消失。

历书上的新月之后7天或8天便到了上弦月。此时我们看到了半个被照亮的月面。此后一周，月相称为凸月。两周之后月亮正对着太阳，我们看到了月球的整个半球，就像一个圆盘，我们称之为满月。在剩余的周期里，月相以相反的顺序出现，这些都是众所周知的。

我们可能觉得这些循环出现的现象尽人皆知而无须赘述，然而，在《古舟子歌》（英国诗歌）中描述了一颗星出现在月亮的两个尖角之间，好似那里没有漆黑的天体阻挡我们的视线而根本看不到星星一样。也许不止一首诗描写过东方天空的新月，又或者傍晚西方天空的满月。(https://www.daowen.com)

月球表面

我们用肉眼即可看到月球表面分为明暗两个区域。暗的地方经常被想象成一副模糊的人的面孔，鼻子和眼睛尤其明显，即所谓“月中人”。用最小的望远镜我们就能看到月球表面变化多端，望远镜倍数越高看到的细节越多。在望远镜中首先看到的是高地，或俗称高山。这些高山的最佳观测时间是上弦月时，因为此时这些高山投下了影子。满月时这些高山就看不这么清楚了，因为我们看这些高山的角度是垂直的，并且所看到的都是明亮的。虽然这些起伏的地形叫作高山，但是它们的形状与地球上一般的高山不同，却与地球上大火山的火山口极为相似。最常见的像环形的堡垒，直径从一英里至几英里，山壁可达数千英尺高。堡垒的里面好似碟子，大部分表面是平坦的。上弦月时我们能够看到山壁的影子投射在堡垒里面平坦的表面上。在堡垒的中间经常会看到小的圆锥体。堡垒的内表面并不是完全平坦和光滑的，望远镜倍数越高我们看到的细节越多。现在我们尚不清楚这些高山是由什么组成的；它们也许是整块实心的石头，也许是成堆的松散的石头。因为我们看不到月球上的细节，即使用倍数最高的望远镜也是如此，除非望远镜的直径超过100英尺，所以我们还不清楚月球表面最细微处的准确性质。月球表面如图17所示。

图17 月球的表面

早期用望远镜观测月球的人认为那些暗的区域是海，明亮的区域是陆地。这种认识基于那些较暗的区域看起来比其他地方光滑，于是人们给这些假想的海起了名字，如雨海（Mare Imbrium）、澄海（Mare Serenitatis）。这些名字尽管富于幻想色彩，但仍保留下来用以表示月球上那些大的暗区。然而望远镜的些许改进显示这些暗区是海的观点是错觉。这些区域的表面都是不均匀的，说明那里一定是固态的。外观上的差异是由月球表面物影的明暗造成的。

它们在月球上的分布很奇怪。其中一个最显著的特点是，月球上某些地方放射出长长的明亮的线。低倍望远镜也能看到其中最明显的，眼力好的甚至不用望远镜也能看得到。我们所看到的一半月球的南部有一块巨大的区域称为第谷环形山，那里放射出大量这样的明亮条纹。这些明亮的条纹看上去就好像月球曾经裂开了，裂缝中充满了熔融的白色物质。

有关月球的相当重要的问题之一就是月球表面是否存在空气和水。科学家给予这些问题的回答至今都是否定的。当然这并不意味着月球上绝对没有哪怕地球上的一滴水或一丝丝空气；我们只能说如果月球周围有大气层也极为稀薄，我们从未发现其存在的任何证据。倘若月球有大气层，那么其密度哪怕只有地球大气层密度的1%，当星星掠过月球时，星光也会折射出大气层的存在。然而，在折射中没有发现任何迹象。如果月球上有水的话，也一定隐藏在看不见的裂缝里，或者散布在月球内部。如果赤道区域有大片的水存在，那么这些水每天都会反射太阳光，就会因此而清晰可见。这些水也会蒸发，形成或多或少的水蒸气。

以上种种似乎解决了另外一个重要问题，即月球是否适宜居住。地球上存在的生命至少需要水来维持生存，同时也需要空气。

完全没有空气和水导致月球上的情形是我们在地球上从未经历过的。目前最细致的勘察表明，月球表面从未发生过丝毫的变化。地球表面上的石头持续受到天气的侵蚀，历经岁月后逐渐解体或者在风吹和水流中消失殆尽。但是月球上没有天气变化，其表面上的石头可能静止在那里历经不知多少载却从未受到过任何因素的影响。当太阳照射月球时月球表面急剧升温，当太阳落下时又迅速冷却。目前我们观察到，整个月球表面除了温度的变化绝对没有任何现象发生。这就是月球，一个没有天气变化，不曾有任何现象发生的世界。

月球的自转

月球的自转问题经常使许多人困惑，我们需要解释一下。任何仔细观测过这个天体的人都会发现月球面对我们的总是同一个面，这表明月球的自转与其围绕地球公转的周期相等。经常会有观点认为这表明月球根本不自转，也有很多针对这个问题的论述。这个问题的困难之处在于人们对运动的概念认识不同。物理学认为，如果一根杆子穿过一个物体，当这个物体运动时这根杆子永远保持同一个方向，那么这个物体就不发生自转。现在我们来设想这样一根杆子穿过月球；如果月球不发生自转，那么月球在围绕地球公转的过程中出现在其轨道上的不同点时，这根杆子都将保持同一个方向，如图18所示。对这个图稍做研究便可看出，如果月球不发生自转，那么月球在其轨道上向前运动的过程中我们就会连续看到月球表面的每一个部分。

月球如何引起潮汐

在海边居住的人都知道大海有潮起潮落，一般每天发生的时间平均比前一天延后45分钟，并且与月球的周日视运动保持同步。也就是说，今天涨潮时月亮在天空中某个位置，那么一旦月亮在那个位置出现或在那个位置附近就会出现涨潮，如此日复一日，岁岁年年。我们都听说过是月球作用在大海上的引力产生了潮汐。我们很容易理解，当月亮在一个地区上空时，其引力会使当地的水面升高；然而实际情况往往让那些在这个问题上不是很专业的人感到迷惑 ，一天有两次潮汐，涨潮不仅发生在地球正对着月球的那一面，而且在地球背对着月球的一面也同时发生。对于这个问题的解释是，月亮不仅对地球上的水体产生引力，实际上对地球本身也产生引力。月亮对整个地球和地球上的一切持续产生一个向它那个方向的拉力。由于月球围绕地球每个月公转一周，因此维护了地球的持续运动。如果月球对地球的各部分包括海洋在内产生的引力相等，那么就不会出现潮汐了，地球上的一切也将一如既往，就像根本没有引力一样。然而，由于引力与距离的平方成反比，月球对地球上离其最近的地区和海洋产生的引力大于对地球引力的平均值，而对那些离月球最远的地方产生的引力则低于平均值。

图18 假如月球不自转时月球的运动

为了说明上述变化产生的影响，如图19所示，A、C、H代表地球上受到月球引力作用的三个点。由于月球对C产生的引力大于A，C便被这个力拉得离A更远了，增大了A和C之间的距离。同时作用在H的引力比C大，H和C之间的距离也增大了。如果整个地球都是液态的，那么月球的引力只会将这个液态的球体拉成椭球体，其长直径将指向月球。但是地球本身是固体的，不会被拉成这种形状，而海洋是液体，于是水面便被拉高了。这种情况导致的结果参见下图，由于海水在月球引力的作用下水面升高，地球便成了椭球体，椭球体的两端发生涨潮，而中间地区则出现退潮。

图19 月球如何每日引起两次潮汐

若要完整解释这个问题需要讲到运动定律，而运动定律不可能在这里讲解。但是我想说的是，如果月球对地球的引力永远在同一个方向上，那么这两个天体只要几天就会被拉到一起。然而由于月球围绕地球公转，引力的方向永远在变化当中，因此地球在月球引力的作用下一个月里也只偏离其平均位置大约3 000英里。

有观点认为，如果月球以这种方式引发潮汐，涨潮将永远发生在月球经过子午线的时候，而退潮发生在月球处于地平线上的时候。但事实并非如此，原因有两点。首先，月亮将水体拉伸成椭球的形状需要时间，而月球一旦给予水体形成椭球体所必需的动力，这个力在月球经过子午线之后仍然持续，就像石头离开手之后仍会继续向上，或者波浪在水的作用力之下仍然向前涌动。另一个原因存在于陆地对动力的阻断。潮浪遇到陆地后会依据地形改变方向，而从一处涌向另一处也需要很长的时间。因此对比各地的潮汐会发现其非常不规则。

太阳也像月球一样引起潮汐，但是影响较小。在新月和满月的时候，太阳和月球合力引起最大的涨潮和退潮。沿海居民对此都很熟悉，称其为大潮（spring tides）。在上弦月和下弦月的时候，太阳的引力和月球的引力相反而相互抵消，潮水不会涨得太高也不会落得太低，称为小潮（neap tides）。