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月从何处来

  江畔何人初见月?

  江月何年初照人?

  仰望着年年相似的明月,诗人把心中的疑问寄托进了浪漫的诗句。根据科学家的推算,月球和地球都形成在距今约45亿年之前——那时的地球连基本的单细胞生物都还没有出现,何况能够“初见月”的人呢?所以这句诗的答案,不在于月球何时形成,而在于人类何时出现。当长江江畔最早出现智人的身影的那个夜晚,也就是江上明月最初照耀人类的时候。先不谈对人类诞生的疑问,如果我们把目光移回月亮上,月球的形成之谜同样困扰着科学家们。不幸的是,我们目前对月球的成因尚且找不出决定性的证据,只能先提出一些假说;不过,江月年年望相似,但是“科学家代代无穷已”,伴随着一代代人的添砖加瓦,对于月球成因的推测也日渐完善,下面就让我来为大家介绍一些著名的假说。

  捕获假说

  对于月球的形成一直存在各种传说与猜测,但最早系统性地提出月球成因假说的是笛卡尔,这位因坐标系而闻名的先贤同样也是最早提出太阳系的起源模型的人(虽然当时“太阳系”这个词还没有作为一个学术术语出现),针对地月系统的形成提出了最早的行星捕获理论(planet-capture theory)。这一假说在20世纪初得到了完善,认为月球原本是独立的天体,在经过地球时被地球的引力场捕获,从此围绕地球运动。但随着我们对月球认识的深入,现在一般认为它不成立。因为月球的质量相对地球而言并不小,足足有地球的1/81,这个数字看起来不算大,但作为对比,我们的邻居火星的质量也只有地球的11%,还不到月球的9倍;而被认为是由火星捕获而来的两颗卫星,火卫一和火卫二,其质量加起来都不及月球的百万分之一。根据科学家的计算,假设月球从远方进入地球的引力场,除非与地球发生碰撞,否则哪怕近距离掠过地球,也只是会改变一下运动方向,然后飞出地球引力场并再不相遇。如果说火星和火卫一、火卫二的关系是一个小朋友逮到了两只蛐蛐,那么地球和月球的关系更像一位壮汉在遛一条哈士奇——尽管牵着狗绳时一切正常,但是如果面对的是脱缰后一路狂奔的哈士奇,哪怕是地球这样的“壮汉”,也是绝无可能徒手抓获它的,只能看着那个“撒手没”跑得无影无踪。

  除此之外,来自很远处被行星俘获的星体一般会沿狭长的椭圆轨道运行,但月球绕地运行的轨道却近似是个正圆。加上这种假说认为地月在形成之前没什么关系,但后来的研究均发现地球和月球在同位素组成上十分相似,这一点也是捕获假说完全无法解释的。在笛卡尔的时代,人们对天体的认知只有通过望远镜来观测,甚至日心说还在被教会打压,所以虽然今天看来捕获假说难以自圆其说,但此假说的提出在当时称得上是一个伟大的进步

  月球分裂说

  也叫潮汐共振说,最早由达尔文的儿子乔治•达尔文提出,经过一系列发展,认为地球早期呈熔融态且自转非常快,由于潮汐共振作用,把一大块物质从地球中甩了除去,形成了今天的月球,而深深凹陷的太平洋就是这次地月分离留下的瘢痕。

  不过这个假说要求非常夸张的早期地球自转速度,而且难以处理地月系统的角动量问题,而且随着地球化学定年的不断精确,我们发现太平洋板块非常年轻,只有2亿年,而月球的年龄足有45亿年。以此来看,如果太平洋是地球甩出月球后留下的深坑,就如同沙地里的西瓜被一匹猹啃了一口,当时居然什么事都没有,过了俩月西瓜才反应过来“哦!我好像应该缺一块耶!”于是这才自己陷下去一个坑。且不说科学家无法接受,闰土和他手里的钢叉也无法接受。不过在乔治•达尔文的年代,人类对地月系统的认知非常有限,更不要说测量月球和太平洋板块的年龄,所以这个假说的提出在当时也是极具创造力的有益尝试,实际上直到人们可以用计算机来精确模拟地月分裂过程,并发现其确实极难实现之前,月球分裂说都是非常流行的假说;而且也有人在不断完善月球分裂说,虽然当前大多数科学家不接受它,但毕竟月球的起源仍没有定论,我们也很难完全否认一种说法。

  大碰撞假说

  大碰撞假说最早在上世纪四十年代被提出,直到1980年以后才逐渐被广泛接受,也是当下最流行的观点。它认为太阳系形成早期的两颗原行星经过一次碰撞形成了现在的地月系统,大的一方形成了今天的地球,小的一方演化成的今天的月球。那个可以被视为“原初月球”的碰撞体被命名为忒亚(Theia),是希腊神话中月亮女神(Selene)之母。有趣的是,在希腊神话中,忒亚也是大地女神盖亚(Gaea)的女儿,不过碰撞前的“原初地球”并不叫盖亚,而且它和忒亚也不是母女关系——忒亚的来源目前也无法确定,甚至有人推测它可能来自太阳系外。此外,希腊神话中的忒亚也是太阳神赫利俄斯(Helios)的母亲,不过如果碰撞体忒亚来自太阳系内,它反而大概率是太阳的“女儿”。尽管忒亚与“原初地球”并非母女,但它确实如同小孩子飞扑进母亲的怀抱里那样,一头撞向“原初地球”,在剧烈的碰撞中数万吨的物质被气化、融化,促使二者进行了充足的物质交换,而忒亚在碰撞后遗留的部分就成了月球的主体。现在的物理建模证明了大碰撞模型的合理性,精确的模型甚至能推算出大碰撞前“原初地球”约为现在地球的90%大小,而忒亚的大小却接近火星,质量为现在地球的10%,而一些其他的参数如碰撞角度等也可以被相应地推算出来。这一理论可以解释之前的模型很难解释的问题,那就是为什么月球只有一个小的铁核(大约占月球半径的20%,比较与地核占地球半径的50%):碰撞天体的铁核的大部分沉入了地核。

  此外,近年来各种同位素示踪以及定年体系被广泛应用,而大碰撞模型也可以很好的解释地球和月球上同位素组成的异同。这里,我们有必要简单介绍一下“同位素”的概念:一个原子的原子核是由带正电荷的质子和不带电的中子组成的,其中质子的数量决定了它属于哪种“元素”,譬如含一个质子的原子都属于氢元素;而我们熟知的元素周期表,就是依照质子数进行排列的。但是原子里面还含有中子,于是质子数相同而中子数不同的原子就是彼此的“同位素”:因为质子数相同,所以它们在元素周期表中占据同一个位置,有着十分相似的化学性质,但彼此中子数不同,又存在一定的差异。我们继续以氢元素来举例子,氢同位素有三种,分别是氕(没有中子)、氘(一个中子)、氚(两个中子),它们都有一个质子。氕是最常见的氢同位素,在自然界的氢元素中,氕的含量足有99.9844%,而且不具放射性;但氢的另一种同位素,氚却具有放射性,常用于核电站发电,因为自然界中含量极低,所以需要人为提纯才能使用。日本福岛要排放的核废水主要就是含氚的水,这种放射性物质对生物有害。

  那么,话说回来,科学家是如何用同位素来推断天体的来源的呢?原来,在太阳系形成之初,不同的部分有着截然不同的同位素组成,我们以氢同位素为例,太阳系早期的太阳星云中,氘的含量就要明显低于地球大洋中的氘同位素的平均含量,而来自太阳系外的彗星却往往具有相对较高的氘含量。科学家通过测量月球上岩石样品的同位素组成,并与已知天体做比较,就可以找出它的来源。这就像我们拿到一桶海水,如果发现它氚含量正常,低于0.0001%,那么可以知道这桶水来自没被污染的地区;但如果测得它的放射性很强,氚含量超标,那么......你猜它跟福岛核电站什么关系?

  不只是氢同位素,科学家可以通过测量多种同位素的含量进行综合分析,从而更精确地推断所测样品的来源。我们现在回到大碰撞假说的同位素解释:根据物理模型估计,月球的约70%来自碰撞体忒亚,余下部分来自地球,因为二者在大碰撞中交换了大量物质。而月表的一些岩石样品中,同位素组成与地球上的高度一致,说明它们极有可能是大碰撞中月球从地球处获得的的物质;而在另外一些月岩样品中,又可以测量出一组完全不同于地球的同位素组成,科学家推测这可能就是忒亚本身的同位素组成。不过,对于忒亚的来源,现在却也没有定论,有人支持它来自太阳系外,并有着完全不同于太阳星云的初始同位素组成;也有人支持它形成于太阳系内。并且,岩石的形成过程非常复杂,月球岩石也不例外,来自忒亚的物质和大碰撞中从地球获得的物质会随着岩浆活动发生混合,这将导致介于二者之间的、更为扑朔迷离的同位素组成。如果我们要进一步发展大碰撞假说,深入考虑岩石样品的形成过程也是一件不可回避的事情——我们需要知道月球具体哪些部分来自忒亚,哪些又混合自地球。

  大碰撞假说近年来支持人数众多,也有大批学者为它添砖加瓦,但仍然有科学家对此持反对意见,而且这个假说本身也没有取得决定性的证据。不过,大碰撞假说依然是目前公认最成熟的成月假说之一

  结语

  月球的形成之谜,自古就吸引着人类的好奇心,而直到今天依旧众说纷纭,难以定论;但不论哪个时代的何种假说,无不展示着科学家优美的逻辑与大胆的想象。正如你手中的月饼,你也不知道它的具体起源,是唐高宗犒赏三军的胡饼?还是遥祭明月的贡品?你能做到的,就是把它连同厚重的文化沉淀一并吃下。它甚至不一定好吃,“齁死了!又是五仁的!”但月饼背后的文化传承,却可以跨越千年,被你真真切切地感受到。这些假说也是如此,随着科学的进步,我们会有越来越成熟的理论,现在流行的观点在二十年后看来也许高瞻远瞩,也可能漏洞百出,但一代代人勇于探索和思考的精神却永远闪耀着光辉,值得我们敬佩。

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月球地球火星
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