一
月亮的奧秘

日全食是我們在地球上所能看到的最旖旎壯觀的天文景象之一。它之所以壯觀，是因?yàn)榇藭r(shí)的月球和太陽在我們眼中看起來一樣大，也正因?yàn)橐粯哟螅虑驈奶柷懊娼?jīng)過時(shí)，可以完全覆蓋太陽盤面，令太陽瞬間光芒盡失，只留下外緣的日冕發(fā)出銀白的光暈。但是，為什么我們?nèi)绱诵疫\(yùn)，能看到此等天文奇觀？為什么我們與月球之間的距離如此恰到好處，正好看見月球與太陽一般大，看見它將太陽完全擋住，產(chǎn)生了日全食？這些問題越想就越覺得匪夷所思，因?yàn)榍珊线@東西毫無邏輯可言，也不是你想求就求得來的。在這個(gè)罕見的天文時(shí)刻，月球然走到完美的點(diǎn)位，上演一出日全食的大戲；這時(shí)，人類文明出現(xiàn)了，不早不晚，恰逢其時(shí)，這出戲從此有了觀眾。在最初的地質(zhì)年代，月球離地球很近，近到它看上去比太陽還要大，連日冕的“風(fēng)華”也被它蓋過；在遙遠(yuǎn)的未來，月球?qū)㈦x地球很遠(yuǎn)，遠(yuǎn)到它看上去無比渺小，凌到太陽表面時(shí)，只看得到一個(gè)小黑點(diǎn)。雖然這聽上去很不現(xiàn)實(shí)，但是我們的確是在對的時(shí)間，出現(xiàn)在對的地點(diǎn)，撞見這驚心動(dòng)魄的一幕。這一切，皆緣于一個(gè)“巧”字。

歸根結(jié)底，地球上的生物能夠有幸看到日全食，還是因?yàn)樵虑虮旧韷虼蟆Ｔ虑蚴菑牡厍颉澳赣H”身上剜出去的“親骨肉”，至今仍是太陽系中已知最大的衛(wèi)星。鑒于雙行星的形成機(jī)制，許多天文學(xué)家甚至認(rèn)為月球應(yīng)該與地球平起平坐，和地球并為一個(gè)雙行星系統(tǒng)，而不是被視為地球的衛(wèi)星。

太陽和太陽系孕育于“云團(tuán)”之中。太空中存在許多原始?xì)怏w和塵埃云，在自身引力作用下坍縮成圓盤，大部分物質(zhì)匯集形成了圓盤的核心（太陽），其他塵埃和冰粒遺留在圓盤中，不斷碰撞合并，因引力而逐步匯集成越來越大的顆粒，最終形成行星，沒用完的材料則“抱團(tuán)”組成了更小的天體，比如小行星和彗星。到了行星形成后期，太陽系開始變得沒那么和睦了。原行星繞太陽運(yùn)行的軌道上充斥著無數(shù)瓦礫碎石，在“逐日”的道路上，它們要勇敢地“沖鋒陷陣”，掃清軌道上的各路障礙，同時(shí)承受它們的轟炸。想知道當(dāng)時(shí)轟炸的場面有多慘烈，只要看一眼坑坑洼洼的月亮表面，你心里就大致有數(shù)了，只不過月球在太陽系行星大體成形以后才誕生，沒趕上最“兵荒馬亂”的年代，無法完全體現(xiàn)當(dāng)時(shí)的慘烈程度。

除了地球以外，太陽系中還有其他行星，如火星、木星、土星，它們也都有圍繞其旋轉(zhuǎn)的衛(wèi)星。與月球相比，它們的身世可就簡單多了。火星在形成過程中，顯然留下了一些小碎片，它們后來形成了小行星，并被火星捕獲。木星和土星是比火星大得多的巨行星，它們的衛(wèi)星也比火星的大得多。巨行星往往有多個(gè)衛(wèi)星，組成一個(gè)壯觀的衛(wèi)星系統(tǒng)。就像行星繞著太陽轉(zhuǎn)一樣，衛(wèi)星系統(tǒng)也繞著巨行星轉(zhuǎn)，在局部“拉幫結(jié)派”，形成一個(gè)“小太陽系”。

和別的衛(wèi)星比起來，月球是一個(gè)另類：它的直徑是地球的四分之一，不像其他衛(wèi)星與其行星相差那么懸殊，而且它“出生”的方式很獨(dú)特，明顯跟“別人”不一樣。關(guān)于月球的身世之謎，目前最合理的解釋是，地球在形成后的幾百萬年內(nèi)，曾與另一顆火星大小的年輕行星相撞，這一次猛烈撞擊產(chǎn)生的熱量，熔化了原地球才剛形成的地殼，摧毀了來勢洶洶的入侵行星。入侵行星的重金屬核心與地核融為一體，逐漸凝聚成一個(gè)核心密度大、地殼極薄的新星體。新星體地殼之所以薄，是因?yàn)樵厍蚺c入侵者相撞（天文學(xué)家形象地將其稱為“大沖撞”）導(dǎo)致雙方星體表面熔化，熔化后混合在一起的熔融物在碰撞沖擊下向外飛濺，有些完全逃逸到宇宙空間，有些停留在地球周圍，形成一個(gè)環(huán)帶，從中孕育出月球。至于這個(gè)過程花了多長時(shí)間，我們只要借助計(jì)算機(jī)，就能很快算出來。模擬結(jié)果告訴我們，撞擊之后一個(gè)月內(nèi)就能形成類似于月球的天體。通過測定月巖樣本，我們推算出這場驚天動(dòng)地的碰撞發(fā)生在大約44億年前，它不僅孕育了月球，還導(dǎo)致地軸嚴(yán)重傾斜，地球飛速自轉(zhuǎn)，四季因此形成。

所有這一切賦予了地球許多獨(dú)特之處。金星位于地球與太陽之間，大小跟地球差不多，但是外殼很厚，金屬內(nèi)核很小，磁場弱到可以忽略不計(jì)，自轉(zhuǎn)一圈243天。地球外殼薄，內(nèi)核大，磁場強(qiáng)，自轉(zhuǎn)周期相對較短，還有一個(gè)很大的衛(wèi)星，這些特征組合在一起，形成了一個(gè)得天獨(dú)厚的完美星球，完美得像一場“陰謀”。我們的星球是太陽系中的異類，由一連串極不可能的巧合堆砌在一起，這些巧合全都跟月球有著千絲萬縷的關(guān)系，對地球的各方面產(chǎn)生著深遠(yuǎn)影響。

以地殼的厚度為例，你可能覺得它沒什么，但它其實(shí)用處很大。地球的外殼薄到可以像蛋殼一樣裂成許多碎塊，并在液體層（上地幔）對流的帶動(dòng)下漂移，這個(gè)過程就是板塊構(gòu)造學(xué)說里的板塊移動(dòng)。因?yàn)楸。貧に閴K（板塊）的邊緣經(jīng)常有火山噴發(fā)，將二氧化碳、水蒸氣等氣體釋放到大氣中。地殼開裂的地方通常位于海底，那里不斷有巖漿上升并凝結(jié)，順著裂縫往兩邊擴(kuò)散，將老地殼推開，形成新地殼。盡管如此，地殼并未無限地?cái)U(kuò)張變大，因?yàn)樵谑澜绲钠渌锹洌绕湓诖箨戇吘墸貧じ_，將水分子和碳酸鹽巖帶回地球深部，重熔再生形成巖漿，借火山噴發(fā)再次進(jìn)入大氣，周而復(fù)始，循環(huán)往復(fù)。

然而，循環(huán)的周期并不是固定的。從空氣中吸收二氧化碳等氣體的過程被稱為風(fēng)化作用，比如二氧化碳溶解于水，與巖石中的礦物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，生成碳酸鈣（石灰?guī)r）。我們都知道，大氣中的二氧化碳是一種溫室氣體，它會(huì)吸收熱量，使其無法向外層空間發(fā)散，導(dǎo)致地球表面變暖。巧的是，氣候變暖會(huì)加快風(fēng)化作用，消耗更多二氧化碳，從而給地球降溫；地球一涼下來，風(fēng)化作用隨之轉(zhuǎn)弱，空氣中的二氧化碳越積越多，溫度便又上去了；溫度一上去，風(fēng)化作用跟著變強(qiáng)，二氧化碳也消耗得更多。多虧了板塊構(gòu)造帶來的“負(fù)反饋”，地表溫度能夠維持在一個(gè)適合液態(tài)水長期存在的范圍（不幸的是，板塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)太緩慢，無法迅速抵消人類活動(dòng)排放的二氧化碳，將我們從自己造的孽中解救出來）。要不是那場撞擊將地球“剝一層皮”，孕育了月球，削薄了地殼，給了它得天獨(dú)厚的板塊構(gòu)造，地球可能會(huì)跟我們的鄰居金星一樣，變成一個(gè)炙熱而死寂的沙漠，大氣中全是二氧化碳。

我們要感激月球的不光這一條。通過分析在地球內(nèi)部傳播的地震波，我們能夠算出地球的固態(tài)內(nèi)核有多大——它以鐵、鎳為主，直徑約為2400千米，頂部與地表的距離為5200千米，外面被大約2500千米厚的液態(tài)外核包圍著，這個(gè)厚度幾乎是內(nèi)核頂部與地表距離的一半。內(nèi)外核共同構(gòu)成了占地球質(zhì)量三分之一的地核，其中有一部分來自月球這個(gè)“父親”。地球上的所有生命（包括人類在內(nèi)）能夠偏安于太陽系一隅，都要感謝那一層外核。它由液態(tài)鐵、鎳組成，溫度約為5000°C，只比太陽表面的溫度低一點(diǎn)。它能維持這么高的溫度，靠的是放射性元素衰變產(chǎn)生的熱量，如太陽系形成期遺留下來的釷、鈾元素。外核液態(tài)金屬不斷流動(dòng)產(chǎn)生電流，再加上地球自轉(zhuǎn)形成旋渦，最終產(chǎn)生了地球磁場。

地球的磁場實(shí)際上是一個(gè)力場，保護(hù)我們的星球免受來自太空的傷害。太陽會(huì)噴發(fā)大量帶電粒子，吹向整個(gè)太陽系空間，刮過地球和其他行星。這些帶電粒子流有一個(gè)很直白的名字——“太陽風(fēng)”（solar wind），它們大多數(shù)時(shí)候以幾百千米每秒的速度運(yùn)動(dòng)，到了被稱為“太陽風(fēng)暴”（solar storm）的爆發(fā)期，速度可高達(dá)1500千米每秒。太陽宇宙射線[1]本質(zhì)上跟核爆炸產(chǎn)生的粒子輻射是一樣的，如果不是被地球磁場屏蔽在外，它們早就吹走地球最外面的大氣層，直達(dá)地表，嚴(yán)重威脅到地球上的生命，陸地生物可能因此全部消失。

地球周圍受磁場保護(hù)的區(qū)域被稱為“磁層”，它對應(yīng)的英文名是“magnetosphere”，直譯過來就是“磁球”，這么叫其實(shí)不太恰當(dāng)，因?yàn)橄蛑栠@一面的磁場被強(qiáng)勁的太陽風(fēng)壓得扁扁的，背對太陽那一面的磁場卻不受壓迫，自由自在地向著遠(yuǎn)處的空間延伸，猶如拖著一條長長的尾巴，因此它實(shí)際上不是球形的，而是狀似一只蝌蚪。向著太陽的這一面，地球磁場與太陽風(fēng)之間的邊界線（地球這艘“太空船”的船身）距離地表64000千米。背對太陽的那一面，邊界線幾乎延伸至月球。有一些太陽高能粒子會(huì)“鉆空子”，從南北磁極處混入高層大氣。大多數(shù)時(shí)候，它們只會(huì)激發(fā)絢麗的極光，不足為慮，碰上太陽風(fēng)暴期卻會(huì)威力大增，影響高緯度地區(qū)一切用電的東西。它們擾亂無線通信，襲擊電力系統(tǒng)，導(dǎo)致加拿大等地?cái)嚯姟５牵绻程齑艑油蝗皇В澜缍紩?huì)遭殃，不光高緯度地區(qū)。

有大量地質(zhì)學(xué)證據(jù)表明，過去地磁場曾突然消失又恢復(fù)（這里說的“突然”參照的是地質(zhì)學(xué)的時(shí)間尺度），恢復(fù)后要么維持原磁極不變，要么南、北磁極反轉(zhuǎn)，后者值得引起警惕。某些經(jīng)火山噴發(fā)后冷卻凝固的古老巖石記錄了地磁場的演化歷史，給后人留下了重要的證據(jù)。在冷卻凝固的過程中，有些巖石受到地磁場的磁化，擁有像磁鐵一樣的磁性，其磁場方向和成巖時(shí)的地磁場方向一致，其中一部分磁性穩(wěn)定的巖石，經(jīng)過漫長的地質(zhì)時(shí)期，完整地保留了這種記錄。科學(xué)家可以借助各種測定成巖年代的方法或工具，繪制出地磁場逐漸變?nèi)踔敝料У臅r(shí)間線。通過對生物化石的研究，我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)卮艌鲎內(nèi)鯐r(shí)，許多陸棲動(dòng)物隨之滅絕，海洋里的生物卻不受影響。對此，人們自然而然地會(huì)想到，磁層屏障作用減弱，導(dǎo)致太陽輻射增強(qiáng)，陸地生物因暴露在致命的“炙烤”中而滅絕，然而海洋生物活在海水里，比陸地生物多了一層防護(hù)，因此逃過一劫。即使這種假設(shè)是錯(cuò)的，也改變不了磁場變?nèi)鯐?huì)導(dǎo)致動(dòng)物種滅絕的結(jié)論。一個(gè)不太妙的消息是，最近幾十年來，地磁場出現(xiàn)減弱的趨勢，速度基本在每100年減弱5%至每10年減弱5%之間。按照這個(gè)速度，地球磁場可能在200～2000年這一時(shí)間段徹底消失。

月球的直徑為地球的四分之一，質(zhì)量卻只有地球的八十分之一，原因之一是在那次大撞擊中，質(zhì)量大的重元素沉入地核，質(zhì)量小的碎片則飛濺到太空中形成了月球。不過，如果不看絕對質(zhì)量，只看衛(wèi)星與行星的質(zhì)量之比，月球算是整個(gè)太陽系里最大的衛(wèi)星[2]。自大撞擊以來，月球的引力一直影響著地球的構(gòu)造。今天，人們看到的最明顯的影響來自潮汐力。不過，月球現(xiàn)在對地球的牽引已經(jīng)小了很多。與遙遠(yuǎn)的過去相比，今天的潮汐漲落只相當(dāng)于那時(shí)大海里的小漣漪。

今天，月球與地球之間的距離超過了384000千米。計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果顯示，月球剛形成時(shí)，與地球只隔了25000千米。那時(shí)，它不僅能讓大海出現(xiàn)劇烈的潮汐起伏，還能拉扯地球上的固態(tài)物體，從地表往下1000米的巖石層都逃不過它周期性的拉拽與壓迫。起初，月球引力拉扯產(chǎn)生的熱量使地球上的巖石在大撞擊后長期處于熔融的狀態(tài)，匯聚成一片“火海”，隨著潮汐一同漲落。這個(gè)過程用到的能量來自月球的軌道能量，隨著軌道能量逐漸丟失，月球?qū)Φ厍虻臓恳內(nèi)酰⒅饾u遠(yuǎn)離地球，潮汐的幅度變得越來越小，越來越溫和。大撞擊過去約100萬年后，地球終于形成了堅(jiān)硬的地殼。

由于這次撞擊，初始時(shí)（月球的幼年期）地球自轉(zhuǎn)很快，一天只有5小時(shí)左右。今天，地球上的海水每天有規(guī)律地升落2次，掀起的潮水約1米高，一次潮汐漲落的時(shí)間大致是半天，具體受當(dāng)?shù)睾０毒€的地形影響，但是在月球形成之初（距離撞擊約100萬年后），地球每2.5小時(shí)就會(huì)漲一次潮，浪高數(shù)千米。約5億年前，海洋中的生物開始爬上陸地。4億年前，地球的一年有400天，這兩個(gè)數(shù)字巧得令人難忘。當(dāng)時(shí)，地球自轉(zhuǎn)的速度比今天快10%，一天僅21個(gè)多小時(shí)。然而，在月球形成后的幾十億年里，有一樣?xùn)|西一直不曾變過，那就是地軸的傾斜角，這依舊與月球有著千絲萬縷的聯(lián)系。

玩過陀螺的人都知道，一個(gè)傾斜的物體在圍繞中心軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，偶爾會(huì)發(fā)生搖晃，或者擺動(dòng)（wobble）。地球擺動(dòng)的形式不止一種。前面提到過，一個(gè)火星大小的行星曾狠狠地撞上地球，不僅將它給撞歪了，還撞飛了一些巖石，那些巖石后來形成了月球。地球被撞歪以后，地軸與公轉(zhuǎn)軌道平面[3]的垂線形成約23.4°的夾角，并且全年朝同一個(gè)方向傾斜。當(dāng)它繞著太陽公轉(zhuǎn)時(shí)，它傾斜的方向有時(shí)正好對著太陽，有時(shí)又不對著太陽，但這不是真正意義上的“擺動(dòng)”，如果你想象地球一直不動(dòng)，是太陽在繞著地球轉(zhuǎn)，你就能理解我為什么這么說。地軸傾斜是四季形成的原因——當(dāng)某個(gè)半球離太陽最近時(shí)，那里是夏天，另一半球是冬天；當(dāng)它離太陽最遠(yuǎn)時(shí)，那里是冬天，另一半球是夏天。

我之所以克制地說地球“全年”朝同一個(gè)方向傾斜，而不說它“幾百萬年來”始終如此，是因?yàn)樗扛魩兹f年就會(huì)出現(xiàn)輕微的擺動(dòng)。這才是真正意義上的擺動(dòng)，對地球生物有著不可思議的影響，我們會(huì)在《奇觀·八》中詳細(xì)介紹。在這里，我更好奇的是，為什么地球擺動(dòng)的幅度這么小？因?yàn)樵虑驅(qū)Φ厍蚱鸬搅朔€(wěn)定作用，用自身引力約束地球的搖晃幅度。太陽系里的行星（和衛(wèi)星）之間都通過引力相互拉扯，隨著行星在軌道上移動(dòng)，引力拉扯的強(qiáng)弱也會(huì)發(fā)生變化，小一點(diǎn)的行星（如地球和火星）極易受更大天體（如太陽和木星）的束縛。如果太陽系里圍著太陽轉(zhuǎn)的只有地球和火星，那么它們會(huì)一直“忠貞不貳”地圍著它轉(zhuǎn)下去，不會(huì)“搖擺不定”。然而事與愿違，太陽系里還有一個(gè)巨大的木星，它與太陽之間存在著引力拉鋸，即使這種拉鋸幅度很小，也可能通過一種被稱為“混沌”（chaos）的現(xiàn)象誘發(fā)劇烈的搖擺。關(guān)于混沌理論，我將在《奇觀·六》中予以介紹。

火星沒有相對較大的衛(wèi)星做它的“穩(wěn)定器”。計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果顯示，它有時(shí)會(huì)一下子突然傾斜到45°（這里的“一下子”在地球上大約是10萬年的時(shí)間），有時(shí)會(huì)慢悠悠地傾斜到60°。今天，很多太空軌道探測器已經(jīng)將火星表面的特征研究得一清二楚，我們就算不借助計(jì)算機(jī)模擬，也能通過天文觀測結(jié)果知道，火星自轉(zhuǎn)軸傾斜角曾有過很大的變化。有了來自火星的觀測數(shù)據(jù)證明計(jì)算火星傾斜的模型是對的，我們對類似的地球模型也更有信心。那些模型告訴我們，如果沒有月球，地軸傾斜角會(huì)在10萬年的時(shí)間里從0°變成90°，引起氣候的巨大變遷。當(dāng)一個(gè)極點(diǎn)指向太陽，該極點(diǎn)所在的半球?qū)⒊掷m(xù)處于炎熱難耐的白晝，另一半球則處于天寒地凍的黑夜。6個(gè)月后，風(fēng)水輪流轉(zhuǎn)，白天與黑夜將顛倒，曾經(jīng)太陽永不落下的熱帶，將處于冰雪永不消融的黑夜。但是，多虧了月球的穩(wěn)定作用，自陸地上出現(xiàn)生命以來（有化石為證），甚至從更遙遠(yuǎn)的過去算起（根據(jù)計(jì)算機(jī)模型推測），這種極端的氣候從未發(fā)生過。

當(dāng)然，天下沒有長久的好事。月球“維穩(wěn)”已經(jīng)超過40億年了，現(xiàn)在它正步履堅(jiān)定地遠(yuǎn)離地球，以約4厘米每年的速度向外移動(dòng)，對地球施加的穩(wěn)定作用也隨之減弱。我們用計(jì)算機(jī)模擬推導(dǎo)出，從現(xiàn)在算起，大約20億年后，月球的引力將再也無法與木星抗衡，屆時(shí)地球的傾斜角將劇烈擺動(dòng)，這就回到了我開篇時(shí)提到的《奇觀》——太陽比月球大400倍，太陽與地球的距離也比月球與地球的距離大400倍，一切巧得像個(gè)“陰謀”。

很久以前，在恐龍生活的年代，月球看上去遠(yuǎn)比現(xiàn)在大得多，到了日全食時(shí)分，它能夠很輕松地完全擋住太陽。那時(shí)，人類還沒有出現(xiàn)，因此無人注意到天邊那一輪比太陽還要大的月亮。等到離現(xiàn)在不算太遙遠(yuǎn)的未來（那時(shí)地軸仍較為穩(wěn)定，還未因木星的引力而劇烈擺動(dòng)），在日全食期間，月球邊緣將套上一圈清晰可見的光環(huán)。那時(shí)，人類也許已經(jīng)滅絕了，也許還存在著，還能見證那美麗的景象。不可思議的是，在漫長的地質(zhì)歲月中，我們不早不晚，恰好在這最美好的時(shí)刻出現(xiàn)，看見了全宇宙最精彩絕倫的風(fēng)景。更為不可思議的是，地球上能夠有生命存在，正是托了月球的福。若不是它給了地球穩(wěn)定的力量，我們就不可能坐在這兒看風(fēng)景。這些巧合發(fā)生的概率幾乎為零，但是并非完全不可能，因?yàn)樗_實(shí)已經(jīng)發(fā)生了。