如果没有月亮，世界将会怎样？
撰文 | Ethan Siegel
翻译 | 马 超
校译 | 夏志坚
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如果我们的地球没有月亮或者有多个月亮的陪伴，那将会是一派怎样的景象？生命又将会如何？失去月亮，地球注定会变得不一样，Ethan Siegel 如此解释道。
在太阳落入地平线之后，仰望夜空，会看到一个使群星黯然失色的明亮天体：我们的月亮。
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尽管一些旧的观念认为人类与动物的许多特殊行为与月亮有关联，如深夜的鬼哭狼嚎，满月时分人的情绪更容易失控，甚至女性的月经周期。然而这些观点一直都没有科学依据的支撑，不被科学界所认可。尽管如此，月亮绝不仅仅只是夜空中耀眼的天然光源这么简单，除了潮汐之外，地球上的诸多现象均与月球有关。月球已经在地球身旁存在了超过45亿年，几乎与太阳系一样老。如果没有它，今天的地球将会是另一幅模样。
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在太阳系形成之初，处于“婴儿期”的太阳，周围被大量的气体和尘埃环绕，称为“原行星盘”。在引力的作用下，盘内的物质相互聚集，形成行星，而来自太阳的辐射则会将大量的盘内物质吹向星际空间。在混乱的婴儿期之后，一个由旋转的行星和存留下来的更小天体组成的系统，会在引力的作用下围绕太阳旋转。随着时间的推移，它们会彼此拉扯，一些天体会逐渐改变它们的轨道，另外一些则会被挤走。最终，留下来的幸存者演化成了如今的太阳系八大行星的格局。
大撞击
一些行星自诞生以来就有为卫星伴其左右，如木星周围的几个最大的卫星。而有的行星的卫星则是靠行星的引力俘获邻近天体而来，如海王星最大的卫星海卫一（Triton）和土星的卫星土卫九（Phoebe）。这些都是通过较为温柔的方式生成卫星，但大自然并不总是这么温柔。
在太阳系早期，大型天体诞生后便环绕太阳高速飞行，彼此之间的相撞时有发生，撞击时产生的巨大能量，是6500万年前灭绝恐龙的那次小行星撞击事件所无法匹敌的。如此大规模的撞击，在今天的太阳系内极难发生，但在太阳系刚形成不久，这类事件是相当频繁的。在那个动荡的时期，岩质行星的质量都还太小，不足以形成属于自己的卫星。另一方面，它们的引力还没有强大到俘获其他星体成为自身的卫星。但有时同其他天体的相撞，自己身体的一部分有可能会被撞飞，而飞出去的残骸如果继续围绕自身运行，之后则很可能会演变成自己的卫星，甚至形成多颗卫星。科学家很早以前就猜测月亮可能形成于一次早期的大撞击，但那个时候几乎没有人相信这种可能性。
太阳系早期艺术想象图。图源：NASA
然而美国阿波罗计划的成功，使故事发生了转机。从1969年到1972年，先后有6次阿波罗任务登陆月球，并带回了大量月面的岩石和土壤样本。令人惊讶的是，通过分析这些样本，我们发现月岩中的稳定同位素比例与地球上的相同，这意味着它们有共同的起源。
而且月球核心的物理性质与地球内部十分相近；月球公转的方向与地球的自转方向相同。现在的碰撞模拟，不仅能够重现地月系统的形成与演化，也能很好的模拟其他行星周围卫星系统的形成，如火星的两个卫星（火星在过去可能还拥有第三颗卫星，这颗卫星体积更大，后来撞向了火星）、冥王星的五颗卫星等。经过多年来无数科学家的不懈努力，关于月球的形成，已经有了答案：约45亿年前，我们的地球曾遭受过一次快速的巨大撞击，而那次撞击，形成了今天的月球。
形成月球时的撞击场景（艺术想象图）。图片来源：www.extremetech.com
消失的月亮
年轻的地球遭受撞击，形成月球，可能仅仅是宇宙中的一次巧合事件。实际上，月球—地球的质量比率远远高于太阳系其他卫星-行星组合。作为地球的卫星，月球的个头儿相比地球有点过于大了。这些特点足以让我们想知道：如果没有月球，我们的世界有怎样的不同。
月球与地球大小对比。图源：WikimediaCommons
月球是夜空中最明亮的天体，但它自身不发光，而是靠反射太阳光照亮黑夜。满月时的亮度是金星的14000多倍，金星是夜空中第二亮的天体。在理想的夜空观测点，我们的肉眼可以看到最多大约6000颗恒星，还有银河、几个遥远的星系甚至黄道光——由太阳系空间中的尘埃粒子反射太阳光形成的。而满月的光辉会将以上那些完全掩盖，只留下最亮的前10%的恒星，被我们的肉眼观察到。因此如果没有月亮，地球上任何一个角落的每一个夜晚，都可以欣赏到美丽璀璨的星空。
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但没有月亮，我们将无法再看到壮观的天文现象——日食和月食。日食的形成需要月亮运行到地球和太阳之间，三者排成一条直线，这时从地球的特定位置上看，太阳的一部分（日偏食或者日环食）或者全部（日全食）被月球挡住，这是发生在我们的星球上最壮观的自然现象之一。当月球运行入地球的阴影中时，地球上的人类就会看到月食现象。
日全食。图源：NASA
时间与潮汐
没有月球造成的另一个后果是，昼夜的时长将不再变化。大家恐怕很难相信，在过去的几十亿年里，地球的自转速度发生了惊人的下降。在恐龙统治地球的岁月里，一天只有22个小时，而不是今天的24小时；当数十亿年前地球上只有单细胞生命体时，我们的行星完成360°旋转只要不到10个小时。正因为如此，未来我们的日历需要不断被重新校准。再过400万年，地球的自转速度已经足够缓慢，以至于在我们的日历中已经没有设置闰日的必要了。造成这一切的原因是月球施加给旋转中的地球的摩擦力，让地球的自转随着时间逐渐变慢，同时也让月球渐渐远离地球。因此一旦月球突然消失，地球的自转速度将不再改变，一天永远都是24小时，直到太阳毁灭。
随着月球不断远离我们，地球上海洋的潮汐规模将越来越小。如果你生活在海边，特别是海湾附近，你会注意到高潮与低潮之间的巨大差异。月球的引力作用，会使海水隆起，再加上地球的自转，每天会产生两次高潮和两次低潮。太阳也会使海洋产生隆起，但相比月球，产生的潮汐效应只有月球的1/3。每当地球、太阳和月亮呈直角排列时，此时空中的月相是半月，潮汐规模只有大潮的一半，称为“小潮（neap tide）”。如果没有月亮，我们的海洋将会平静很多：今天的大潮规模会缩减到原来的1/4, 小潮变为原来的1/2。
大潮与小潮形成示意图。图源：Pinterest
最令人不安的是，如果没有月球，地球的自转轴角度将变得不稳定。今天自转轴的倾斜角度约为23.4度（译者注：自转轴与公转轨道平面的垂线之间的夹角）。数千年来，它的倾斜角在22.1—24.5度之间缓慢变化，保持相对稳定，这主要是月球在起作用。月球承载了地月系统足够多的角动量，从而防止了地球自身的大幅度摇摆。我们的近邻火星，自转周期同地球差不多，但没有大型卫星来稳住它的自转轴，因此火星自转轴倾角的变化幅度是地球的10倍之多。
地球自转轴倾斜角示意图。图源:universetoday.com
如果没有月球，地球的自转轴倾角可能会时不时地超过45度，这会让我们的星球变得更像天王星：一个在公转轨道上侧面旋转的星球。两极将不会永远寒冷，赤道地区也不会一直温暖。冰河时代将会以数千年为周期，席卷全球。因此没有月亮，地球就不会有长期稳定的气候。
天王星轨道示意图，它的自转轴几乎与轨道面平行，因此看起来好像平躺在公转轨道上。图源：bragi.physastro.mnsu.edu
更大的一大步
最后，抵达地外世界的太空探索将会变得极其困难。当我们的火箭强大到足以摆脱地球的引力，将宇航员送入太空时，我们的首要目标一定是距离地球最近的天体。对于人类登陆来说，月球相比于其他天体有诸多优势。首先，月球没有大气，这意味着飞船的起飞或着陆不会有狂风的干扰。其次，月球的自转较为缓慢，所以任何短于两周的任务都可以在月球的白昼一面进行。最重要的一点是，它离地球最近。借助传统的化学燃料火箭飞往月球只需要花费3天时间，而以光速传播的通讯信号，在地月之间跑一来回仅需要2.5秒。月球距离地球的平均距离约为38.5万公里，而离地球最近的行星——金星和火星，即使在最佳的位置，地球与它们的距离也是地月距离的100多倍。因此月球是人类飞向太阳系甚至更遥远星际空间的重要前哨站。没有它，我们踏向其他世界的第一小步对于人类来说将会是大得多的一大步。
关于月球以及太阳系其他卫星，仍有许多问题悬而未决。例如，那场产生月球的大撞击是什么样的？那个撞击天体有多大、来自于哪里、撞击地球的速度有多大？碰撞可能性的模拟已经让我们超越“大撞击假说”——即一个与地球共用轨道的远古天体“忒伊亚（Theia）”与我们的星球相撞——并催生了新的月球形成假说“索内斯蒂亚（synestia）”, 即月球是由大碰撞之后分布在地球周围的一圈岩石碎屑结合形成的。未来对于月球表面物质成分和内部物理性质的研究，或许将让我们获得更多关于月球形成的信息，也会逐渐明朗太阳系形成初期到底发生了什么。
多个月亮
我们不能保证能够精确还原行星的历史。大型天体的撞击是随机也是极低概率事件。即便我们能够创造出和太阳系早期一模一样的条件，形成地月系统也只是众多可能性中的其中一种。我们可能不会有卫星，正如水星和金星那样。我们可能会拥有一颗距离很近的卫星以至于其会被地球撕碎，最终落向地球；或许在地球的赤道会形成巨型山脊，就像土卫八那样，或者形成一个环赤道大洋盆地，像火星那样。在地球周围也可能会形成多个卫星的组合，例如一个大卫星加上众多小卫星，类似于今天的冥王星卫星系统。
冥王星与它的卫星系统。图源：NASA
如果地球拥有多个月亮，那将会给地球带来许多迷人的后果。寻找一个真正的暗夜将变得十分困难，因为从多颗月亮反射的太阳光将不可避免地照亮黑夜。月亮们周期性的位置排布，可能会不时在地球上引发灾难性的大潮汐，使一些地区不再适合人类居住，或者成为冲浪爱好者的天堂。甚至那些发生在气态巨行星（如木星、土星）之上的天文现象——如卫星食（卫星之间的相互遮掩），甚至多重食（多个卫星与太阳排成一线）——也将在地球上成为常态。在太空探索方面，我们将有多个月亮需要研究和探测，它们将为太阳系行星系统的起源与演化提供更多的线索。
木卫一（IO）飞过木星的向阳一侧时，将自己的影子投在了木星表面。位于影子中的人们将看到日全食现象。图片来源：NASA
回到现实中来，我们只有一颗天然卫星陪伴地球环绕太阳，而且将在太阳系剩下的99%的历史里继续陪伴我们。我们最近的邻居永远改变了我们的世界以及生存其中的生命。在我们庆祝人类登月50周年的同时，我们也为掌握月球如何持续影响地球的知识而感到欣慰。没有月球，我们的天空、公转轨道、海洋、太空计划等等，将会完全不同。
▲本文为Physics World 专栏的第24篇。
第一篇：中国的挑战和变化
第四篇：中国冲刺月球计划
第五篇：随机行走人生路，量子计算是归途
第六篇：什么情况下冷水比热水升温快
第七篇：文科教育为什么不能偏废？
第八篇：如何写一份面向工业界的简历
第十篇：动物集体行为背后，到底是何机制？
第十一篇：世界首次人机合一的奥运会：比赛爬楼梯、晾衣服背后的黑科技
第十二篇：植“根”于物理
第十四篇：专访王贻芳：建造下一代对撞机
第十五篇：物理学家30年前遭遇的问题，至今没有改善
第十六篇：海蒂·拉玛的双面人生：电影演员与发明家
第十七篇：物理单位的哲学新思考
第十八篇：粒子物理学的成就与挫败
第二十二篇：“新大科学”的兴起
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原文标题为“ What's in a moon ”，首发于2019年7月出版的 Physics World，英国物理学会出版社授权《知识分子》翻译。中文内容仅供参考，一切内容以英文原版为准。未经授权的翻译是侵权行为，版权方将保留追究法律责任的权利。
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