诗词中的天文学

赵之珩　陈若颖

【诗词说】

这首词是中秋望月怀人之作，表达了苏轼对胞弟苏辙的无限思念。苏轼曾经要求调任到离苏辙较近的地方为官，但被调到密州任职后，这一愿望仍无法实现。公元1076年的中秋，词人面对一轮明月，心潮起伏，于是乘酒兴正酣，挥笔写下了这首名篇。

地球与月亮

【天文说】

明月几时有？

月亮是我们对月球的俗称，它是地球的卫星，体积约为地球的1/49，质量约是地球的1/81，与地球的平均距离约为384400千米。作为地球的卫星，月球终日陪伴着地球，与地球以相同的速度“共舞”着。然而，地球的这位小伙伴是从哪里来的呢？自古以来，针对这个问题，各国天文学家提出了几十种不同的学说，时至今日仍没有定论。今天我就向大家介绍其中的四种学说，看看人们对月球成因的认识经历了哪些变化。

分裂说

大家都知道英国有一位生物学家名叫达尔文，他的儿子乔治·达尔文则是一位天文学家。乔治·达尔文在1679年提出了“分裂说”，他认为46亿年前，地球刚刚诞生的时候，表面温度很高，还没有完全凝结成坚硬的岩石。那时地球自转速度很快，产生了巨大的离心力，把一部分表面物质“甩”了出去。而甩出去的物质就形成了月球。后来还有人认为，当时地球甩出物质的地方，就是今天的太平洋。可是最近的考察证明：太平洋底部的岩石是在不到1亿年前形成的，而月球是在46亿年前形成的，这显然相差太远了！

乔治·达尔文

同源说

“同源说”是由18世纪法国天文学家布丰提出的。他认为地球和月球是一对“双胞胎”，有共同的起源。46亿年以前，在离太阳不太远的地方有一片星云。星云中心存在的巨大引力不断吸引着周围的物质，渐渐形成了一大一小两个“球体”。在引力的控制下，这两个球体的密度越来越大，大的形成了地球，小的形成了月球。可是经科学家考证发现，地球上有碳、氢、氧、氮、硫、磷、钾等100多种元素，按说，月球上也应当有同样的元素，可是科学家发现月球上有6种元素是地球上所没有的。这就是说，地球跟月球的“血型”并不相同，两者并不是“双胞胎”。

俘获说

“俘获说”是由瑞典天文学家阿尔文于20世纪提出的。他认为46亿年前刚刚形成的地球是孤独的，并没有卫星。忽然有一天，从远方飞来一个星球，渐渐接近地球，最终进入地球的引力场，被地球俘虏，从此成为地球的卫星。这样就解释了两者成分不同的原因。但是对于这种说法有人表示质疑：如果月球是从远方而来，被地球俘获，那么它围绕地球运转的轨道应当是扁长的，可是现在这个轨道是接近圆形的。

碰撞说

1986年3月，美国的天文学家们举行了一次研讨会，他们在前三个假说的基础上进一步提出：46亿年前，在太阳系中有一个孤立的星球，它在运行中遇到了地球，发生了猛烈的碰撞，引起爆炸。巨大的地球虽然受了一点儿伤，但仍然保持完整，而那个从远方而来的星球被撞碎了，形成了碎裂的石块、尘土、气体和水分。这些物质大部分飞向了宇宙空间，剩下的一部分在引力的作用下渐渐聚合成一个圆球，就是我们所见的月球。

现在，大多数天文学家认为“碰撞说”是目前最接近事实的假说。但这也只是假说而已，目前对于月球的成因问题，还没有人能给出最终的答案。

江畔何人初见月？江月何年初照人？

人生代代无穷已，江月年年只相似。

——节选自[ 唐] 张若虚《春江花月夜》

【诗词说】

《全唐诗》中存诗仅有两首的张若虚，在唐代灿如繁星的诗人群里实在毫不起眼儿，但他凭借被闻一多先生誉为“诗中的诗，顶峰上的顶峰”的《春江花月夜》，“孤诗横绝全唐”。诗人用“江畔何人初见月？江月何年初照人？人生代代无穷已，江月年年只相似”的诗句表达了个人的生命虽然短暂即逝，但人类的存在却是绵延长久的，因此“代代无穷已”的人生就和“年年只相似”的明月得以共存。這是诗人从大自然的美景中感受到的一种欣慰之情。诗人虽有对人生短暂的感伤，但并不是颓废与绝望，这感伤恰是缘于对人生的追求与热爱。

【天文说】

月亮为什么么“年年只相似”？

月亮能够“年年只相似”不只因为几十亿年来都是同一个月亮与地球“共舞”，还因为长久以来月亮总是以一面示人，所以人们看到的月亮总是同一副模样。月亮是一个球体，它也在自转，为什么地球上的人只能看到它的一面呢？说到这个问题就要讲讲“潮汐锁定”了。

牛顿提出的万有引力定律告诉我们，万物之间存在一种相互作用的“引力”，比如月球就在地球的引力作用下绕着地球转动。不仅如此，引力还会随着物与物之间的距离、二者大小的变化而变化，两个物体之间的距离越近、质量越大，它们之间的引力就越大。但是，我们平时说到引力的时候，一般都是把物体当成一个整体，并没有考虑到物体内部和外部受到的引力差异。比如月球它并不是一个点而是一个巨大的球体，它的各个部分因为距离地球远近不同，受到地球的引力也不一样。我们可以想象一锅放在火上加热的水，虽说一锅水都在被加热，但底部的水因为更靠近火源，会比上面的水更热一点儿。月球也一样，它面对地球的一面因为更靠近地球，受到的引力会比背对地球的一面更大。

潮汐锁定示意图

由于正面和背面的引力差，月球整体上受到了一股被“拽”向地球的力量，这股力量也使月球产生了形状上的变化，变得更像一个椭球而不是圆球。但因为月球是固体，它的形状变化比较滞后，所以在月球的自转与公转过程中，最长的那一端并不会总是垂直面对地球。又因为最长的那一端受到的引力会比垂直面对地球的那一端受到的引力更大，这种类似钟摆的状况会让月球受到一个阻碍它自转的力量。久而久之，原本自转速度比公转速度快的月球，在这股力量的阻碍下，自转速度逐渐减慢，最终使月球以一面朝向地球，就不会再产生形状变化和阻力，这时月球的自转速度与公转速度刚好相等。同理，如果有天体是自转速度比公转速度慢的，公转速度也会逐渐减慢，直至与自转速度相等。我们把这种两个天体之间因为引力差，使得其中一个天体的自转速度和公转速度相等，并总是以一面对着另一个天体的情况就叫作“潮汐锁定”。

那么，什么样的情况下能够发生潮汐锁定呢？其实，只要两个天体长期相互绕转，如恒星与它的行星，或行星与它的卫星之间，就能发生潮汐锁定。但是潮汐锁定是一个漫长的过程，相互之间距离较近的天体因为引力差更大，更容易完成“锁定”。比如太阳和地球就因为太过遥远，还需要几百亿年太阳才能“锁定”地球。所以我们说的潮汐锁定一般都是指已经完成这个“锁定”过程的天体。在太阳系里，潮汐锁定是很普遍的现象，比如火星与火卫一、火卫二，木星与木卫一、木卫二、木卫三、木卫四等，土星与土卫一、土卫二、土卫三等一些卫星之间都存在潮汐锁定的现象。

我们在前面说的都是较大天体对较小天体的“锁定”，那么有没有可能月球反过来也“锁定”地球呢？答案是肯定的，只是还未完成。我们知道，因为月球公转，它对地球的引力会让地球表面的海水也发生形状变化，形成地球上的涨潮和退潮。海水的潮汐变化也会因为摩擦而产生热量，对地球自转产生影响，只不过这种影响太过微小，月球还需要很久才能完成对地球的“锁定”。两个质量差别没那么大的天体则更容易相互潮汐锁定，比如冥王星和有它一半大的冥卫一“卡戎”，就已经完成了相互的潮汐锁定。

因为潮汐锁定，月球有一面总是面对着地球，这样就产生了总是面对着地球的月球正面，和总是背对着地球的月球背面。但也因为月球被潮汐锁定，它的质量更多聚集在靠近地球的一面，所以月球正面内部的月幔更容易因为撞击而流出，流出的玄武岩岩浆会漫延到月面上。因为这些岩浆的反射率更低，所以肉眼看上去更暗，这就形成了月球正面的一块块暗斑。古时候人们以为那些暗斑如同地球上的海洋一般，所以给这些黑暗区域取名为“月海”。但实际上，那里并没有水，只是一片片充满月海玄武岩的广阔平原。月球上共有22个月海，绝大部分都分布在月球正面，其中最大的一块月海因為太过庞大，而被取名为“风暴洋”。

除了风暴洋，月球正面还有几个清晰可见的月海：雨海、澄海、静海、危海、丰富海、酒海。古人对着月面上的这些暗斑，生出了无数联想。把它们想象成了“仙人”“桂树”“白兔”“蟾蜍”“后羿”等。

既然月球一直以同一面朝向地球，那从理论上来说，如果不飞出地球，我们是不是就只能看到月球的正面（50%的月球表面）呢？答案是否定的。事实上，我们站在地球上可以看到大约59%的月球表面。

为什么我们能看到比一半还要多一点儿的月球表面呢？这就要说到一种现象——月球天平动。所谓月球天平动，是指就像天平左右两端以中间的杠杆为中心摆动一样，月球也因为某些原因，使地球上的人感觉月球在以月心为中心，上下或左右摆动。而我们多看到的一小部分月球表面就缘于这种“摆动”。

月球天平动按照成因不同，可以分成经度天平动、纬度天平动、周日天平动和物理天平动。由于周日天平动和物理天平动影响微小，我们就来说说影响较大的经度天平动和纬度天平动。我们说月球自转速度和公转速度相同，其实只是平均速度相同。因为月球绕地球旋转的轨道是椭圆形的，天体在椭圆形轨道上运行到不同位置时，速度会有微小的差别。因此，月球的自转速度有时会比公转速度快，有时会比公转速度慢。这点儿差别就像天平摆动一样，让我们能在东西两个方向上分别多看到一点儿月表。这种摆动就叫作“经度天平动”。而纬度天平动顾名思义，就是在南北纬度方向上的摆动。就像地球的自转轴并不垂直于地球公转轨道一样，月球的自转轴也和它的公转轨道存在一个倾角。这个倾角就使得月球在围绕地球公转时，有时是北极更靠近地球，有时则是南极。所以，我们站在地球上又能在南北两个方向上分别多看到一点儿月表。正是因为月球的天平动现象，我们站在地球上也能窥见月球背面的一点点风光。

了解了这些知识，下次再看到这些诗词时，你是不是就能给大家讲讲背后的天文知识了？这可是语文老师都未必知晓的呢！