第四章　月亮

各种不同的测量都一致认为，月亮到地球的平均距离约38.6万千米。得到这距离的方法是直接测量视差（以后我们要说），还有一种是计算月亮绕地球的轨道运动。因为这轨道是椭圆的，所以它的实际距离常常会不同，有时它比平均距离少1.6万千米或2.4万千米，有时却又多出了这个数目。

月球的直径比地球直径的1/4略大一点，准确些说是3 476千米。最精密的测量也未发现它不成球形，只不过表面是不规则的罢了。

月亮的公转与位相

月亮陪着地球绕日运行。这两种运动的联合在部分读者的眼中看来要觉得稍为复杂些，但其实并不难明白。我们可以想象一下有一把椅子放在疾行火车中，一个人离椅子一米远绕着椅子转。他可以不论转多少次也不改变距离，更与火车的运动毫无牵涉。就像这样，地球在自己的轨道中向前运行，月亮连续绕着它转，而相对地球的距离并无多大变动。

月亮绕地球一周实际所需的时间是27日又8小时，但从一新月（朔）到另一新月所经历的时间却是29日又13小时。这种不同是因为地球同时也绕着太阳运动，或者说（实际上意思一样）因为太阳顺着黄道的视运动。要表明这一点，如图21画AC弧作为地球绕日轨道的一段。假定某一时候地球在E点，月亮在M点正处于地球、太阳之间。27日又8小时之后，地球已从E点移到F点。当地球这样运行的时候，月亮也按自己轨道顺箭头方向前进，这时恰到N点。这时EM线与FN线是平行的，因此月亮实际已完成它的公转一周，看来又回到和上次一样的众星之间的位置了。可是太阳此时在FS方向上，因此月亮要回到太阳地球之间的位置上就必须再运动一些时间不可。这又需要两天多一点的时光，于是两个新月之间的时间就成了29.5天了。

图21　月亮绕地球的公转

月亮的不同的位相（phases）是随它对太阳的位置而定的。因为它是不能自己发光的物体，我们只是在太阳照到它的时候才看见它。它在太阳跟我们之间的时候，它的黑暗的一半对着我们，就完全不能被看见。历书中称这为“新月（朔）”，但我们平常在新月的后两日还不能看见月亮，因为它还在黄昏的暮霭中。在第二天或第三天我们才看到这球形被照亮的一小部分，形状正是我们所熟悉的一弯蛾眉。这蛾眉月有时也被叫做新月，虽然历书中的新月期要更早几天。

在这位置上又过了几天之后，我们就可以看到月亮的全貌了——黑暗部分发着暗弱的光，这是从地球上反射去的光。假如有人在月亮上居住，他会看见在他的天空上，地球像一轮将圆的蓝色满月——虽然实际上要比我们所见的月亮大得多。月亮在它的轨道中一天天前进，这种地光就一天天减少，约在上弦时地光没有了，一方面因为月亮上有光部分在逐渐增加光强，另一方面也因为地球的光减弱了，下弦时亦复如此。

在历书中的新月（朔）后约七八天，月亮就到了上弦期，我们就可以看到明亮的部分占月亮的一半。以后的一星期内，月亮被叫做“凸月”（gibbous phase）。在新月后第二星期的末尾（望），月亮正与太阳相对，我们就可以见到月亮宛如明亮玉盘的全面，这被称为满月。之后，月亮的位相则会反转并还原，这是人人知道的。

我们也许会认为这些事情实在太平常不值得叙述。可是，在《古舟子歌》（The Rime of the Ancient Mariner，英国诗人Coleridge的名作）中竟描写了一颗星挂在蛾眉月的两尖之间，好像那儿没有黑暗物体一样。大概有过不止一个诗人描写过新月出现于东天而傍晚的一轮满月却赫然照耀于西天吧——尽管很有诗意，但是这显然绝不可能发生。

月亮的表面

我们用肉眼也可看出月亮表面上有着不同的明暗区域。暗的地方常被人看成像一个人的面孔，尤其是鼻子与眼睛更加显著，这就是所谓“月中人”了。就算用最小的望远镜我们也可以看出月面上有繁复的地形，望远镜越好，我们所看到的也越细微。我们在望远镜中所见的第一样触目的东西将是那些隆起物，或按照平常说法是那些山。这些最好在上下弦月时看，那时日出或日没照出的长影使那些突起处显得更加清晰，反倒是满月时不易看清，因为太阳光几乎是直射在上面而把一切都照亮了。虽然平常把这些高低的地方叫做山，但它们大半却跟地上普通的山形状大不相同，与地上大火山的喷口倒更类似些。这些山很通常的形状是一座圆形碉堡，直径常有若干千米，周围的墙也有近一千米高，而中间则相当平坦——因此我们称之为环形山。在许多这样的月亮环形山中央，有一个或更多的山峰拔地而起。在上弦月中我们可看出这些围墙以及中央山峰的影子投在内部平地上。

早期的观测者在用望远镜观察月亮后，假定其中黑暗的部分是海，而明亮的部分是大陆。这种想法是因为黑暗的部分看起来比别处平坦。这些假想的海洋于是都有了名称，例如Mare Imbrium（雨海）、Mare Sereni tati s（澄海）。这些名称虽皆出于幻想，却保留到了现在，用来称呼月亮上的黑暗部分。望远镜稍进一步的改良就证明这些暗区为海洋的想法全是空幻不实的，这些形状的不同只是由于月面物影的明暗，而月海其实是月亮上地势比较低洼的平原而已。自从探月卫星和人类登月计划以来，我们就可以身临其境，仔细瞧瞧月亮上的大小石块和著名的环形山了。现在我们已经知道，覆盖月球表面达16%的月海地形是由火山喷出的炽热的熔岩冲蚀出的，而其余大部分表面则被灰土层尘埃与流星撞击的石头碎片覆盖。

月亮上最可注意的景物之一就是从某些点上发射出的一些明亮的光线。很一般的望远镜也可看出其中最显眼的来。在月球南极附近，第谷（T ycho）环形山旁，就是许多很美的光线散发的中心点，看上去好像月亮被敲破了而空隙充满了熔化的白色的物质，因此有人相信当年月亮上是大火山的施威场所，而今却都烟消云散了。但这些线状辐射纹的成因尚无定论，也有人认为是陨石轰击月面造成的。

常有人问月亮上有无空气或水。早在人类登上月球之前，科学家就给出了否定的答案：假若月亮上的大气能有地上大气密度的百分之一，我们也可以通过星光从月面掠过时的折射发现其存在。可是我们一点也没有见到存在这种折光的迹象。假若月亮上有水，就一定会藏在凹处或在低处流着。假若在赤道区有这样一片水，就一定会反射太阳的光，因而会很明显地被我们看见——而月球探测器和登上月球的宇航员证实了我们在地球上得到的结论。

以上种种似乎都想来答复另一问题——就是月亮上是否有生命存在的问题。而地球上所有的生命都必须要空气和水来维持。

月亮上完全没有水和空气的事实造成了一种我们在地球上经历不到的情形。可以确信，月面上除了被新的太空陨石撞击之外，将永远毫无变化。地面上的一块石头永远遭受气候的折磨，于是风和水年复一年将它解散冲开，最后成为沙子和土壤——这就是所谓的风化。可是月面上并无气候变异，一块石头躺在上面可以经历若干千万年而遇不到任何一点扰害。月面当太阳照着时异常之热，而日落之后又变得非常的冷——因为没有大气层来保持温度，这温度的变化将在太阳隐去后非常短暂的时间内完成。除了这种温度的变化以及流星的撞击以外，整个月面是绝对平静无事的——个没有风、没有雨、没有四季更替、没有朝露晚霞、没有气候、除了大大小小偶尔落下的流星之外没有任何事件发生的死寂世界——这就是月亮。

月亮的自转

月亮是否绕轴自转这个问题在古代曾经引起过许多争论，因此我们要解释一下。人人都知道月亮永远以同一面对着我们。这说明它的自转周期跟它绕地球公转的周期是一致的。也许有人因此认为它根本不旋转。这混乱的产生是因为关于运动的概念不同。在物理学中我们这样判断一个物体是否旋转：用一根直线通过除转轴外的任何方向，如果这根直线永远不改变方向，那么我们就说这个物体不旋转。我们假想有这样一根线通过月球，如果月球不自转，那这根线就永不变方向——无论月亮在绕地球轨道中的哪一点上（如图23所示）。稍微仔细地研究一下这幅图就可以知道：如果不是月亮自己也旋转，那我们就一定会看到它全表面的各个部分的。

图22　月亮的表面

图23　假如月亮不自转时月亮的运动

月亮如何引起潮汐

住在海边的人都特别熟悉海潮的涨落。平均说来海潮的涨落规律与月亮的周日视运动相符合——高潮恰巧比月亮经过当地子午圈晚了45分钟。这就是说，如果今天月亮在天空某处时海潮涨起，以后月亮又到那一处时一定又会有高潮，天天如此，月月年年亦复如此。我们很容易理解，月亮用它加在海洋上的引力造成了这种潮汐，月亮在任何地方上面天空时就会吸引起当地的水，难懂的只是一天有两次潮，涨潮不仅在对着月亮的这边有，连地球那边背对着月亮的地方也有。关于这一问题，我们可以先温习一下我们刚才提过的关于引力的知识：引力的大小是和距离的平方成反比的。换句话说，离月亮越远的地方，受到的引力就越小。所以，地球上靠近月亮的那一面所受到的引力比较大，而背面受到的引力相对就要小一些。这个差异所产生的效果，就好像是有一种力量将地球拉扁了一样——而这扁的方向，正是正对和背对月亮的方向，也就是潮汐了。

对于这种情形完善的解释必然会引出一些运动规律来，在这里，我们却不打算这样做。但我还是要补充一句：假如月亮加在地球上的吸引永在同一方向，几天之后，两者就要“砰”的一声，撞在一起了。可是因为月亮绕地球转，这吸引的方向便永远改变，所以一个月内也只将地球拉离其平均位置约5 000千米。

也许又有人假定，既然月亮如此引起潮汐，那么我们就总是当月亮在子午圈上时有高潮，而月亮在地平线上时则有低潮了。事实并不如此，原因有二：首先，地球所拥有的无比巨大的水体所造成的强大惯性，将会使得潮汐现象相对月亮位置的变化有一个延迟现象。这潮汐运动在月亮离开子午圈后还要继续下去——这正像一块石子离开手后还向上冲去，而波浪也被水的动力推向高于水平面的岸上一样。另一原因是大陆的隔断。海潮遇上大陆就按大陆情形而改变方向，但由一点转向另一点又需要长时间。因此我们比较各地潮汐时就会发现其并不规则了。但是通常，这个延迟的时间等于我们刚才提到过的45分钟。

太阳也同月亮一样要引起潮汐，但作用比较小——有兴趣的读者可以根据我们曾经给出的数据和方法，按照引力的平方规律来算出太阳和月亮引潮能力的不同。值得一提的是，新月和满月时，这两者在一条线上合力吸引，因此有最高潮和最低潮。这些是所有住在海滨的人都熟悉的，他们叫做“大潮”（spring tides）。在上弦和下弦时，太阳的吸引抵消了部分月亮的吸引，因此潮既不涨得极高也不落得极低，这就叫做“小潮”了（neap tides）。

图24　月亮如何每日引起两次潮汐