如果沒有月餅……哦月亮，會怎么樣？
月亮消失了？？ 別慌，試試上滑升起團圓月吧！
- 導(dǎo) 讀 -
撰文 | Ethan Siegel
翻譯 | 馬超
校譯 | 夏志堅
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在太陽落入地平線之后，仰望夜空，會看到一個使群星黯然失色的明亮天體：我們的月亮。
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盡管一些舊的觀念認為人類與動物的許多特殊行為與月亮有關(guān)聯(lián)，如“情緒失控”（lunacy）、夜間嚎叫，甚至女性的月經(jīng)周期。然而這些觀點一直都沒有科學(xué)依據(jù)的支撐，不被科學(xué)界所認可。盡管如此，月亮絕不僅僅只是夜空中耀眼的天然光源這么簡單，除了潮汐之外，地球上的諸多現(xiàn)象均與月球有關(guān)。月球已經(jīng)在地球身旁存在了超過45億年，幾乎與太陽系一樣老。如果沒有它，今天的地球?qū)橇硪环印?/span>
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在太陽系形成之初，處于 “嬰兒期” 的太陽，周圍被大量的氣體和塵埃環(huán)繞，稱為 “原行星盤”。在引力的作用下，盤內(nèi)的物質(zhì)相互聚集，形成行星，而來自太陽的輻射則會將大量的盤內(nèi)物質(zhì)吹向星際空間。在混亂的嬰兒期之后，一個由旋轉(zhuǎn)的行星和存留下來的更小天體組成的系統(tǒng)，會在引力的作用下圍繞太陽旋轉(zhuǎn)。隨著時間的推移，它們會彼此拉扯，一些天體會逐漸改變它們的軌道，另外一些則會被擠走。最終，留下來的幸存者演化成了如今的太陽系八大行星的格局。
大撞擊
一些行星自誕生以來就有為衛(wèi)星伴其左右，如木星周圍的幾個最大的衛(wèi)星。而有的行星的衛(wèi)星則是靠行星的引力俘獲鄰近天體而來，如海王星最大的衛(wèi)星海衛(wèi)一（Triton）和土星的衛(wèi)星土衛(wèi)九（Phoebe）。這些都是通過較為溫柔的方式生成衛(wèi)星，但大自然并不總是這么溫柔。
在太陽系早期，大型天體誕生后便環(huán)繞太陽高速飛行，彼此之間的相撞時有發(fā)生，撞擊時產(chǎn)生的巨大能量，是6500萬年前滅絕恐龍的那次小行星撞擊事件所無法匹敵的。如此大規(guī)模的撞擊，在今天的太陽系內(nèi)極難發(fā)生，但在太陽系剛形成不久，這類事件是相當(dāng)頻繁的。在那個動蕩的時期，巖質(zhì)行星的質(zhì)量都還太小，不足以形成屬于自己的衛(wèi)星。
另一方面，它們的引力還沒有強大到俘獲其他星體成為自身的衛(wèi)星。但有時同其他天體的相撞，自己身體的一部分有可能會被撞飛，而飛出去的殘骸如果繼續(xù)圍繞自身運行，之后則很可能會演變成自己的衛(wèi)星，甚至形成多顆衛(wèi)星?？茖W(xué)家很早以前就猜測月亮可能形成于一次早期的大撞擊，但那個時候幾乎沒有人相信這種可能性。
太陽系早期藝術(shù)想象圖 | 圖源：NASA
然而美國阿波羅計劃的成功，使故事發(fā)生了轉(zhuǎn)機。從1969年到1972年，先后有六次阿波羅任務(wù)登陸月球，并帶回了大量月面的巖石和土壤樣本。令人驚訝的是，通過分析這些樣本，我們發(fā)現(xiàn)月巖中的穩(wěn)定同位素比例與地球上的相同，這意味著它們有共同的起源。
而且月球核心的物理性質(zhì)與地球內(nèi)部十分相近；月球公轉(zhuǎn)的方向與地球的自轉(zhuǎn)方向相同。現(xiàn)在的碰撞模擬，不僅能夠重現(xiàn)地月系統(tǒng)的形成與演化，也能很好地模擬其他行星周圍衛(wèi)星系統(tǒng)的形成，如火星的兩個衛(wèi)星（火星在過去可能還擁有第三顆衛(wèi)星，這顆衛(wèi)星體積更大，后來撞向了火星）、冥王星的五顆衛(wèi)星等。經(jīng)過多年來無數(shù)科學(xué)家的不懈努力，關(guān)于月球的形成，已經(jīng)有了答案：約45億年前，我們的地球曾遭受過一次快速的巨大撞擊，而那次撞擊，形成了今天的月球。
形成月球時的撞擊場景（藝術(shù)想象圖）| 圖源：www.extremetech.com
消失的月亮
年輕的地球遭受撞擊，形成月球，可能僅僅是宇宙中的一次巧合事件。實際上，月球—地球的質(zhì)量比率遠遠高于太陽系其他衛(wèi)星-行星組合。作為地球的衛(wèi)星，月球的個頭兒相比地球有點過于大了。這些特點足以讓我們想知道：如果沒有月球，我們的世界有怎樣的不同。
月球是夜空中最明亮的天體，但它自身不發(fā)光，而是靠反射太陽光照亮黑夜。滿月時的亮度是金星的14000多倍，金星是夜空中第二亮的天體。在理想的夜空觀測點，我們的肉眼可以看到最多大約6000顆恒星，還有銀河、幾個遙遠的星系甚至黃道光——由太陽系空間中的塵埃粒子反射太陽光形成的。而滿月的光輝會將以上那些完全掩蓋，只留下最亮的前10%的恒星，被我們的肉眼觀察到。因此如果沒有月亮，地球上任何一個角落的每一個夜晚，都可以欣賞到美麗璀璨的星空。
圖源：unsplash
但沒有月亮，我們將無法再看到壯觀的天文現(xiàn)象——日食和月食。日食的形成需要月亮運行到地球和太陽之間，三者排成一條直線，這時從地球的特定位置上看，太陽的一部分（日偏食或者日環(huán)食）或者全部（日全食）被月球擋住，這是發(fā)生在我們的星球上最壯觀的自然現(xiàn)象之一。當(dāng)月球運行入地球的陰影中時，地球上的人類就會看到月食現(xiàn)象。
日全食 | 圖源：NASA
時間與潮汐
沒有月球造成的另一個后果是，晝夜的時長將不再變化。大家恐怕很難相信，在過去的幾十億年里，地球的自轉(zhuǎn)速度發(fā)生了驚人的下降。在恐龍統(tǒng)治地球的歲月里，一天只有22個小時，而不是今天的24小時；當(dāng)數(shù)十億年前地球上只有單細胞生命體時，我們的行星完成360°旋轉(zhuǎn)只要不到10個小時。正因為如此，未來我們的日歷需要不斷被重新校準。
再過400萬年，地球的自轉(zhuǎn)速度已經(jīng)足夠緩慢，以至于在我們的日歷中已經(jīng)沒有設(shè)置閏日的必要了。造成這一切的原因是月球施加給旋轉(zhuǎn)中的地球的摩擦力，讓地球的自轉(zhuǎn)隨著時間逐漸變慢，同時也讓月球漸漸遠離地球。因此一旦月球突然消失，地球的自轉(zhuǎn)速度將不再改變，一天永遠都是24小時，直到太陽毀滅。
隨著月球不斷遠離我們，地球上海洋的潮汐規(guī)模將越來越小。如果你生活在海邊，特別是海灣附近，你會注意到高潮與低潮之間的巨大差異。月球的引力作用，會使海水隆起，再加上地球的自轉(zhuǎn)，每天會產(chǎn)生兩次高潮和兩次低潮。太陽也會使海洋產(chǎn)生隆起，但相比月球，產(chǎn)生的潮汐效應(yīng)只有月球的1/3。每當(dāng)?shù)厍?、太陽和月亮呈直角排列時，此時空中的月相是半月，潮汐規(guī)模只有大潮的一半，稱為 “小潮（neap tide）”。如果沒有月亮，我們的海洋將會平靜很多：今天的大潮規(guī)模會縮減到原來的1/4, 小潮變?yōu)樵瓉淼?/2。
大潮與小潮形成示意圖 | 圖源：Pinterest
最令人不安的是，如果沒有月球，地球的自轉(zhuǎn)軸角度將變得不穩(wěn)定。今天自轉(zhuǎn)軸的傾斜角度約為23.4度（譯者注：自轉(zhuǎn)軸與公轉(zhuǎn)軌道平面的垂線之間的夾角）。數(shù)千年來，它的傾斜角在22.1-24.5度之間緩慢變化，保持相對穩(wěn)定，這主要是月球在起作用。月球承載了地月系統(tǒng)足夠多的角動量，從而防止了地球自身的大幅度搖擺。我們的近鄰火星，自轉(zhuǎn)周期同地球差不多，但沒有大型衛(wèi)星來穩(wěn)住它的自轉(zhuǎn)軸，因此火星自轉(zhuǎn)軸傾角的變化幅度是地球的10倍之多。
地球自轉(zhuǎn)軸傾斜角示意圖 | 圖源:universetoday.com
如果沒有月球，地球的自轉(zhuǎn)軸傾角可能會時不時地超過45度，這會讓我們的星球變得更像天王星：一個在公轉(zhuǎn)軌道上側(cè)面旋轉(zhuǎn)的星球。兩極將不會永遠寒冷，赤道地區(qū)也不會一直溫暖。冰河時代將會以數(shù)千年為周期，席卷全球。因此沒有月亮，地球就不會有長期穩(wěn)定的氣候。
天王星軌道示意圖，它的自轉(zhuǎn)軸幾乎與軌道面平行，因此看起來好像平躺在公轉(zhuǎn)軌道上 | 圖源：bragi.physastro.mnsu.edu
更大的一步
最后，抵達地外世界的太空探索將會變得極其困難。當(dāng)我們的火箭強大到足以擺脫地球的引力，將宇航員送入太空時，我們的首要目標一定是距離地球最近的天體。
對于人類登陸來說，月球相比于其他天體有諸多優(yōu)勢。首先，月球沒有大氣，這意味著飛船的起飛或著陸不會有狂風(fēng)的干擾。其次，月球的自轉(zhuǎn)較為緩慢，所以任何短于兩周的任務(wù)都可以在月球的白晝一面進行。最重要的一點是，它離地球最近。借助傳統(tǒng)的化學(xué)燃料火箭飛往月球只需要花費3天時間，而以光速傳播的通訊信號，在地月之間跑一來回僅需要2.5秒。
月球距離地球的平均距離約為38.5萬公里，而離地球最近的行星——金星和火星，即使在最佳的位置，地球與它們的距離也是地月距離的100多倍。因此月球是人類飛向太陽系甚至更遙遠星際空間的重要前哨站。沒有它，我們踏向其他世界的第一小步對于人類來說將會是大得多的一大步。
關(guān)于月球以及太陽系其他衛(wèi)星，仍有許多問題懸而未決。例如，那場產(chǎn)生月球的大撞擊是什么樣的？那個撞擊天體有多大、來自于哪里、撞擊地球的速度有多大？碰撞可能性的模擬已經(jīng)讓我們超越 “大撞擊假說”——即一個與地球共用軌道的遠古天體 “忒伊亞（Theia）” 與我們的星球相撞——并催生了新的月球形成假說 “索內(nèi)斯蒂亞（synestia）”, 即月球是由大碰撞之后分布在地球周圍的一圈巖石碎屑結(jié)合形成的。未來對于月球表面物質(zhì)成分和內(nèi)部物理性質(zhì)的研究，或許將讓我們獲得更多關(guān)于月球形成的信息，也會逐漸明朗太陽系形成初期到底發(fā)生了什么。
多個月亮
我們不能保證能夠精確還原行星的歷史。大型天體的撞擊是隨機也是極低概率事件。即便我們能夠創(chuàng)造出和太陽系早期一模一樣的條件，形成地月系統(tǒng)也只是眾多可能性中的其中一種。我們可能不會有衛(wèi)星，正如水星和金星那樣。我們可能會擁有一顆距離很近的衛(wèi)星以至于其會被地球撕碎，最終落向地球；或許在地球的赤道會形成巨型山脊，就像土衛(wèi)八那樣，或者形成一個環(huán)赤道大洋盆地，像火星那樣。在地球周圍也可能會形成多個衛(wèi)星的組合，例如一個大衛(wèi)星加上眾多小衛(wèi)星，類似于今天的冥王星衛(wèi)星系統(tǒng)。
冥王星與它的衛(wèi)星系統(tǒng) | 圖源：NASA
如果地球擁有多個月亮，那將會給地球帶來許多迷人的后果。尋找一個真正的暗夜將變得十分困難，因為從多顆月亮反射的太陽光將不可避免地照亮黑夜。月亮們周期性的位置排布，可能會不時在地球上引發(fā)災(zāi)難性的大潮汐，使一些地區(qū)不再適合人類居住，或者成為沖浪愛好者的天堂。甚至那些發(fā)生在氣態(tài)巨行星（如木星、土星）之上的天文現(xiàn)象——如衛(wèi)星食（衛(wèi)星之間的相互遮掩），甚至多重食（多個衛(wèi)星與太陽排成一線）——也將在地球上成為常態(tài)。在太空探索方面，我們將有多個月亮需要研究和探測，它們將為太陽系行星系統(tǒng)的起源與演化提供更多的線索。
木衛(wèi)一（IO）飛過木星的向陽一側(cè)時，將自己的影子投在了木星表面，位于影子中的人們將看到日全食現(xiàn)象 | 圖源：NASA
回到現(xiàn)實中來，我們只有一顆天然衛(wèi)星陪伴地球環(huán)繞太陽，而且將在太陽系剩下的99%的歷史里繼續(xù)陪伴我們。我們最近的鄰居永遠改變了我們的世界以及生存其中的生命。沒有月球，我們的天空、公轉(zhuǎn)軌道、海洋、太空計劃等等，將會完全不同。
原文鏈接：
https://physicsworld.com/a/whats-in-a-moon/
制版編輯 | 盧卡斯
