鑽石舞台

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後，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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儘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聯，如「情緒失控」（lunacy）、夜間嚎叫，甚至女性的月經周期。然而這些觀點一直都沒有科學依據的支撐，不被科學界所認可。儘管如此，月亮絕不僅僅只是夜空中耀眼的亮光這麼簡單，除了潮汐之外，地球上的諸多現象均與月球有關。月球已經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，今天的地球將會是另一幅模樣。

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在太陽系形成之初，處於 「嬰兒期」 的太陽，周圍被大量的氣體和塵埃環繞，稱為 「原行星盤」。在引力的作用下，盤內的物質相互聚集，形成行星，而來自太陽的輻射則會將大量的盤內物質吹向星際空間。在混亂的嬰兒期之後，一個由旋轉的行星和存留下來的更小天體組成的系統，會在引力的作用下圍繞太陽旋轉。隨着時間的推移，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，留下來的倖存者演化成了如今的太陽系八大行星的格局。

一些行星自誕生以來就有為衛星伴其左右，如木星周圍的幾個最大的衛星。而有的行星的衛星則是靠行星的引力俘獲鄰近天體而來，如海王星最大的衛星海衛一（Triton）和土星的衛星土衛九（Phoebe）。這些都是通過較為溫柔的方式生成衛星，但大自然並不總是這麼溫柔。

在太陽系早期，大型天體誕生後便環繞太陽高速飛行，彼此之間的相撞時有發生，撞擊時產生的巨大能量，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。如此大規模的撞擊，在今天的太陽系內極難發生，但在太陽系剛形成不久，這類事件是相當頻繁的。在那個動盪的時期，岩質行星的質量都還太小，不足以形成屬於自己的衛星。

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圍繞自身運行，之後則很可能會演變成自己的衛星，甚至形成多顆衛星。科學家很早以前就猜測月亮可能形成於一次早期的大撞擊，但那個時候幾乎沒有人相信這種可能性。

太陽系早期藝術想象圖 | 圖源：NASA

然而美國阿波羅計劃的成功，使故事發生了轉機。從1969年到1972年，先後有六次阿波羅任務登陸月球，並帶回了大量月面的岩石和土壤樣本。令人驚訝的是，通過分析這些樣本，我們發現月岩中的穩定同位素比例與地球上的相同，這意味着它們有共同的起源。

而且月球核心的物理性質與地球內部十分相近；月球公轉的方向與地球的自轉方向相同。現在的碰撞模擬，不僅能夠重現地月系統的形成與演化，也能很好地模擬其他行星周圍衛星系統的形成，如火星的兩個衛星（火星在過去可能還擁有第三顆衛星，這顆衛星體積更大，後來撞向了火星）、冥王星的五顆衛星等。經過多年來無數科學家的不懈努力，關於月球的形成，已經有了答案：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（藝術想象圖）| 圖源：www.extremetech.com

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—地球的質量比率遠遠高於太陽系其他衛星-行星組合。作為地球的衛星，月球的個頭兒相比地球有點過於大了。這些特點足以讓我們想知道：如果沒有月球，我們的世界會有怎樣的不同。

月球是夜空中最明亮的天體，但它自身不發光，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顆恆星，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。而滿月的光輝會將以上那些完全掩蓋，只留下最亮的前10%的恆星，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。

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但沒有月亮，我們將無法再看到壯觀的天文現象——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（日偏食或者日環食）或者全部（日全食）被月球擋住，這是發生在我們的星球上最壯觀的自然現象之一。當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象。

日全食 | 圖源：NASA

沒有月球造成的另一個後果是，晝夜的時長將不再變化。大家恐怕很難相信，在過去的幾十億年裡，地球的自轉速度發生了驚人的下降。在恐龍統治地球的歲月里，一天只有22個小時，而不是今天的24小時；當數十億年前地球上只有單細胞生命體時，我們的行星完成360°旋轉只要不到10個小時。正因為如此，未來我們的日曆需要不斷被重新校準。

再過400萬年，地球的自轉速度已經足夠緩慢，以至於在我們的日曆中已經沒有設置閏日的必要了。造成這一切的原因是月球施加給旋轉中的地球的摩擦力，讓地球的自轉隨着時間逐漸變慢，同時也讓月球漸漸遠離地球。因此一旦月球突然消失，地球的自轉速度將不再改變，一天永遠都是24小時，直到太陽毀滅。

隨着月球不斷遠離我們，地球上海洋的潮汐規模將越來越小。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，每天會產生兩次高潮和兩次低潮。太陽也會使海洋產生隆起，但相比月球，產生的潮汐效應只有月球的1/3。每當地球、太陽和月亮呈直角排列時，此時空中的月相是半月，潮汐規模只有大潮的一半，稱為 「小潮（neap tide）」。如果沒有月亮，我們的海洋將會平靜很多：今天的大潮規模會縮減到原來的1/4, 小潮變為原來的1/2。

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，地球的自轉軸角度將變得不穩定。今天自轉軸的傾斜角度約為23.4度（譯者註：自轉軸與公轉軌道平面的垂線之間的夾角）。數千年來，它的傾斜角在22.1-24.5度之間緩慢變化，保持相對穩定，這主要是月球在起作用。月球承載了地月系統足夠多的角動量，從而防止了地球自身的大幅度搖擺。我們的近鄰火星，自轉周期同地球差不多，但沒有大型衛星來穩住它的自轉軸，因此火星自轉軸傾角的變化幅度是地球的10倍之多。

地球自轉軸傾斜角示意圖 | 圖源:universetoday.com

如果沒有月球，地球的自轉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：一個在公轉軌道上側面旋轉的星球。兩極將不會永遠寒冷，赤道地區也不會一直溫暖。冰河時代將會以數千年為周期，席捲全球。因此沒有月亮，地球就不會有長期穩定的氣候。

天王星軌道示意圖，它的自轉軸幾乎與軌道面平行，因此看起來好像平躺在公轉軌道上 | 圖源：bragi.physastro.mnsu.edu

最後，抵達地外世界的太空探索將會變得極其困難。當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。

對於人類登陸來說，月球相比於其他天體有諸多優勢。首先，月球沒有大氣，這意味着飛船的起飛或着陸不會有狂風的干擾。其次，月球的自轉較為緩慢，所以任何短於兩周的任務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。藉助傳統的化學燃料火箭飛往月球只需要花費三天時間，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於人類來說將會是大得多的一大步。

關於月球以及太陽系其他衛星，仍有許多問題懸而未決。例如，那場產生月球的大撞擊是什麼樣的？那個撞擊天體有多大、來自於哪裡、撞擊地球的速度有多大？碰撞可能性的模擬已經讓我們超越 「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——並催生了新的月球形成假說 「索內斯蒂亞（synestia）」, 即月球是由大碰撞之後分布在地球周圍的一圈岩石碎屑結合形成的。未來對於月球表面物質成分和內部物理性質的研究，或許將讓我們獲得更多關於月球形成的信息，也會逐漸明朗太陽系形成初期到底發生了什麼。

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。即便我們能夠創造出和太陽系早期一模一樣的條件，形成地月系統也只是眾多可能性的其中一種。我們可能不會有衛星，正如水星和金星那樣。我們可能會擁有一顆距離很近的衛星以至於其會被地球撕碎，最終落向地球；或許在地球的赤道會形成巨型山脊，就像土衛八那樣，或者形成一個環赤道大洋盆地，像火星那樣。在地球周圍也可能會形成多個衛星的組合，例如一個大衛星加上眾多小衛星，類似於今天的冥王星衛星系統。

冥王星與它的衛星系統 | 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後果。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災難性的大潮汐，使一些地區不再適合人類居住，或者成為衝浪愛好者的天堂。甚至那些發生在氣態巨行星（如木星、土星）之上的天文現象——如衛星食（衛星之間的相互遮掩），甚至多重食（多個衛星與太陽排成一線）——也將在地球上成為常態。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的起源與演化提供更多的線索。

木衛一（IO）飛過木星的向陽一側時，將自己的影子投在了木星表面，位於影子中的人們將看到日全食現象 | 圖源：NASA

回到現實中來，我們只有一顆天然衛星陪伴地球環繞太陽，而且將在太陽系剩下的99%的歷史裡繼續陪伴我們。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/