我害怕自己从高空摔下来,至于其他任何东西从空中坠落都无碍我高枕无忧。譬如说,我可从来就没有忧心过月球会坠落于九天之外;可是偏巧月球并不在坠落,事实反倒恰恰与此相反。这就是我写《变幻无常的月球》这篇文章的原因。
上个月,我论述了潮汐是怎样逐渐削弱着地球的自转能量,从而造成地球自转速度的减慢和使地球上每一天时间,以每相隔62,500年增加1秒的速度延长着。
我阐明说:月球的自转能量比地球小,并且月球受到质量比其大的地球对它的潮汐影响,要比地球受到质量比其小的月球对它的潮汐影响来得大,因此月球上每一天与地球上每一天相比,其时间延长的速度将要快些。月球的自转周期现在是27.32天,这个周期与月球围绕地球公转的周期完全相等(就其与其它星球相对而言)。
由于月球的自转周期与其公转周期相等,因此月球有一部分球面始终朝向地球。月球上潮涨的那一面总向着我们地球,而另一面则并不向着我们地球。月球的自转不是通过潮涨,因而潮汐作用已经结束。为此,月球上每一天的时间不再是以过去的那种方式延长了。
但是,月球仍然常常受到地球对它的小小的潮汐影响。
月球的轨道稍微呈椭圆形:那意味着,月球在其一半轨道上运行,较之在另一半轨道上更靠近地球。当月球比平均距离更靠近地球的时候,它的运行速度超过平均速度而显得快些;当它远离地球的时候,它的运行速度则显得慢些。
另一方面,月球自转的速度与其离地球的距离无关,是绝对稳定的。
当月球在靠近地球一侧的轨道上运行时,其绕轨道公转的速度较快,并且超过其自转的速度,同时月球表面(从地球上观察)仿佛非常缓慢地在由东向西移动;而当月球在远离地球一侧的轨道上运行时,其绕轨道公转的速度较慢,并且慢于其自转的速度,同时月球表面(同样从地球上观察)仿佛非常缓慢地在由西向东移动。
月球表面缓慢地在摆动,头两个星期先向一个方向移动,后两个星期则向另一个方向移动,这种摆动称之为月球的“天平动”。(月球似乎在一个平衡支点上轻微地上下摆动,就像在天平秤两侧的秤盘里加上一块小小的砝码时所出现的那种情况一样。)
由于天平动的缘故,潮涨确实起着少许的变化,并且消耗着月球自转的能量。这将造成对天平动的抑制,同时使月球适当地固定住。这种情况,只有当月球椭圆形的轨道变得更接近于正圆的时候,才转能发生。假如月球的轨道完全呈正圆,那么其自可和公转的速度将完全相等,同时天平动停止。
月球由于不在地球的赤道平面上运行,结果对地球赤道隆起带产生一股偏心的引力,这股引力接着又造成潮汐影响,这种潮汐影响被月球缓慢地向赤道平面移动时所产生的反作用力抵消掉。
我刚才谈到的这些次要的潮汐影响,与促使月球自转缓慢下来的潮汐影响相比较要弱些;因此,虽然它们足以使月球的自转速度变慢、达到其公转的周期,但却不足以使月球在地球赤道平面里运行的轨道变成一个正圆。
那么,在月球潮汐作用的影响下,难道地球自转就不会在万有引力的作用下变得固定不动吗?
我们知道,地球的自转周期正在变慢。因为月球对地球的潮汐作用,与地球对月球的潮汐作用相比较起来要小些,而且因为地球具有比月球所具有的自转能量要大得多,所以地球自转变慢的速度,与月球相比也要缓慢得多。
但是,有这么一天,会不会地球的自转速度将慢到与月球绕着地球公转的速度相等呢?地球的一部分球面会不会永远朝向月球,就像月球的一部分球面现在始终向着地球一样呢?当出现那种情况的时候,地球上的潮涨将也静止不变;而且无论地球还是月球,都将不再容易受到彼此潮汐的影响。这是不是意味着就不再会有进一步的变化了呢。
当出现了那种情况,地球上的一个月(人们推测)也许只有27.32天;同时,地球和月球将像哑铃一般,彼此围绕着运转。这时,地球和月球形成了一个整体,无形的潮汐影响作为一根联杆,把两者连接起来。
也许,这样说不十分正确。当形成哑铃式运转时,地球的自转周期那时将不再是27.32天。
为什么不是27.32天呢?让我们思考一下。
当自转的能量消失以后,事实上根据能量守恒定律,它不可能真正消失,但是却能够(确实是在)改变其形式:自转能量将转化成为热能。自转能量的消耗是如此缓慢以至于所转化成的热能真是微不足道,它仅不过为人察觉不到地增加到由太阳那里撰取的热能中去罢了(这种热能肯定是,而且确实在晚间释放出来。)
当地球自转变慢时,它同时也失去了自转的角动量;根据角动量的守恒定律,这种角动量也是不可能真正消失的。角动量的丧失,势必以另一种方式予以补偿。
当自转角动量由于自转速度的降低而变弱时,由于潮汐的作用,角动量是能够得到补偿的;同时,假如整个地球的各部分与其转轴的平均距离增大的话,根据角动量守恒定律,角动量则保持不变。换言之,如果地球转速变慢而体积能够扩大的话,一切毫无问题——但这是办不到的。地球是不可能克服其自己的地心引力而使体积扩大的。
那么,我们地球怎么办呢?
月复一月,地球和月球相互围绕着旋转,因此产生一个公转角动量,以及地球和月球各自的自转角动量。两个宇宙天体围绕着地球——月球系的引力中心旋转着。
要确定引力中心的位置,还得依靠我们通常说的跷跷板原理。假如质量相等的两人坐在跷跷板的两头,那么,如果支轴座位于板的正中央,跷跷板于是将保持平衡。如果其中一人的质量比另一人大的话,那么支轴座必须向靠近质量较大的那人一侧移动,跷跷板才能保持平衡。确切地说,甲的质量乘上甲离开支轴座的距离一定是等于乙的质量乘上乙离开支轴座的距离。如果甲的质量是乙的10倍,那么甲离开支轴座的距离一定是乙离开支轴座的距离的1/10。
设想一下,如果跷跷板的两头是地球和月球,支蛍座换上“引力中心”。地球质量是月球质量的81.3倍,因此,地球中心到引力中心的距离一定是月球中心到引力中心的距离的1/81.3。月球中心到地球中心之间的平均距离是484,404公里,它的1/81.3将是4,728公里。
这意味着地球中心距离引力中心是4,728公里,而月球中心距离引力中心则是379,676公里。月球和地球每27.32天围绕引力中心旋转一周,月球的旋转圈大,而地球的旋转圈则要小得多。
事实上,由于引力中心距离地球中心只有4,728公里,因此引力中心比地球表面距离地球中心要近。地球 - 月球系的引力中心则位于地球表面以下1.650公里的地方。
因此,有人说月球是绕着地球旋转的,不能算是信口雌黄。但是,月球可并不是绕着地球中心旋转的。
假如月球的轨道是一个正圆,那么地球中心所描绘的运行轨道也将是一个正圆,但是其直径只有月球运行轨道直径的1/81.3。实际上,月球的轨道稍微呈椭圆形,也就是说,月球和地球之间的距离在每月运转的过程中有时增大,有时缩短。结果,引力中心的位置也有时稍微远离地球中心,有时则稍微靠近地球中心。
距离最远时,地球 - 月球系的引力中心相距地球中心是5,001公里;距离最近时,则相距4,383公里。因此,引力中心位置,在地球表面以下1,377公里至1,995公里之间上下变化。
所以说,要使自转角动量的丧失和公转角动量等量地产生以达到平衡,完全是可能的。如果地球和月球到引力中心的距离增大的话,就会出现这种情况。
当月球远离我们地球时,月球的视角直径变了。在遥远的古代,月球距离地球显然比现在近,因此,看上去要大。然而,在遥远的未来,月球距离地球显然将比现在更远,因此,看上去也就更小。
那意味着,在将来,从地球表面将不再会看见太阳的日全蚀。在目前这段时间,月球的视角直径已经比太阳要小一些,因此即使当月球在太阳的正前方,月球将也不能把太阳全部遮蔽住。月球的四周于是会出现一圈淡淡的光晕,形成“环蚀”。那是因为太阳的平均视角直径是0.533°,而月球的平均视角直径是0.518°。
假如月球围绕地球运行的轨道完全呈正圆形,同时地球围绕太阳运行的轨道也完全呈正圆形,那么这种情况就会出现:最多只会出现环蚀而绝不会出现任何日全蚀。
然而,地球的轨道稍微呈椭圆形,因此地球离太阳的距离是有变化的。太阳离开地球,有半年比平均距离远些,有半年则比平均距离近些。我已经说过,月球在其每月的公转周期中就有这种情况。
当太阳距离地球最远和它的视角直径为0.524°的时候,太阳看上去最小,同时,当月球距离地球最近和它的视角直径为0.558°的时候,月球看上去最大。因此,当太阳比平时距离地球更远(和更小),或者当月球比平时距离地球更近(和更大),或者两种情况兼而有之的时候,就有可能会出现日全蚀。
随着潮汐的影响,月球远离地球,其在轨道中运行时的视角直径将变小;如果我们设想,太阳离地球的目前距离保持不变,那么同时将会出现这种情况,就是即使当月球距离地球最近,其视角直径也将小于0.524%此后,地球表面任何时候都看不到日全蚀。
如果月球即使在其看上去最大的时候也大不过太阳在其最小的_时候,那么月球目前距离地球356,334公里这一最近点将向外推移到379,455公里。月球距离地球必须再远23,121公里才会出现这种情况。
月球向外推移23,121公里,究竟需要多久呢?
目前,月球正以每年3厘米,或者每公转一圈2.5毫米的速度向远离我们地球的宇宙外面推移。
按照那样的速度,月球需要大约750,000,000年,才能向外推移23,121公里。事实上所需要的时间可能会更长些,由于当月球远离地球向外推移时,潮汐影响减弱了,同时推移的速度也慢慢地滞缓下来。我怀疑可能需要将近十亿年的时间才达到推移这段距离。
看来,情况还不至于那样糟糕。每世纪日全蚀的次数将渐渐减少而环蚀的次数将慢慢地增加。同时,出现的日全蚀延续时间也将逐渐缩短,但是,日全蚀现象完全终止,恐怕需要几乎十亿年的时间。
至于那种情况,考虑到在古代潮汐影响较强的因素,可能在600,000,000年以前当古生物三叶虫还刚刚在进化的时期,这种环蚀现象是不可能的。那个时候,月球看上去比现在稍微大些,每当月球运行到太阳的正前方的时候,势必出现日全蚀。
让我们再谈谈地球自转速度逐渐变慢的问题。
当地球自转的速度缓慢下来,月球与地球之间的距离增大,同时月球围绕地球公转的时间也相应延长。(此外,潮汐的影响将保证月球的自转周期将与其公转周期一起缓慢下来。)
因此,当月球远离地球向外推移到使日全蚀成为不可能这样一个距离的时候,与星球相对而言,每月的时间将不再是27.32天,而将是29.98天。而且,随着月球继续远离地球向外推移,每一月的时间将继续延长。
待到地球的自转周期延长到27.32天,即月球目前每月的公转周期的时间,地球那时候的公转周期实际上将更长;同时,在哑铃式运转尚未形成之前,地球的自转速度势必将继续变慢。
有没有可能地球将永远赶不上月球呢?地球自转速度无论变得多慢,会不会由于月球距离地球如此地遥远,以至于月球的公转周期将始终要比地球的自转周期长呢?
不,地球自转会赶上的。当地球自转的速度缓慢到一天等于目前47天的时候,月球将距离地球如此地遥远,以至于其公转周期也将等于目前47天这样长的时间。
到那时候,平均地说,月球离地球的距离将是551.620公里,同时其视角直径将是大约0.361°。
于是,地球和月球将互相围绕着哑铃式地运转,假如没有外界影响的话,地球和月球将永远如此地运转下去。但是,有外界影响,它就是太阳。
太阳跟月球一样,对地球也产生一种潮汐影响,但其程度有所不同。这两个宇宙中的天体对地球所产生的潮汐影响是由于这两个天体的质量大小的差异而不同的,而且与它们跟地球距离的立方成反比。
太阳的质量比月球的质量大27,000,000倍。但是,太阳离地球的距离是月球离地球的距离的389.17倍;389.17的立方大约是58,950,000。如果我们用58,950,000除以27,000,000,我们发现,太阳对地球的潮汐影响仅仅大约是月球的0.46倍。
除了太阳和月球以外,宇宙中其它天体对地球的潮汐影响是微不足道的。因此,我们可以说,对地球产生的全部潮汐影响大致上是:月球占2/3而太阳占1/3。
每隔62,500年地球上每一天的时间将延长1秒,这是月球和太阳对地球联合所起的潮汐作用的结果,这种联合所起的潮汐作用由于月球渐渐远离地球而得到平衡。
然而,一旦地球和月球形成哑铃式的运转,那么月球对地球的潮汐影响实际上消失了。那样,只剩下太阳对地球的潮汐影响。简单地说,太阳对地球和月球两者所产生的潮汐影响是这样一种影响:加速这两个宇宙天体的自转速度,同时通过减弱公转角动量使自转角动量的增大保持平衡。
换言之,月球将螺旋形地下降、靠近地球(然后,最终月球将开始坠落。)月球将越来越接近地球,究竟近到什么地步可没有一个明显的界限——只是月球将永远不会果真坠落到地球上陨灭。
随着月球坠落而接近地球,地球对月球的潮汐影响将增强。待到月球的中心与地球的中心之间的距离只有大约15,000公里,同时月球的表面距离地球表面只有7,400公里的时候,月球每隔5.3小时将围绕地球旋转一周。到那时,地球对邻近月球的潮汐影响将是现在的75,000倍,或者说,比月球目前对地球的潮汐影响要强500,000倍。
在那种情况下,地球对月球的潮汐影响将开始把月球撕裂成许多一块块巨大的碎片。这些碎片互相撞击,碎裂,于是通过进一步继续的潮汐作用,逐渐地把这些碎片散布在整个月球的轨道之中,在地球赤道的平面内形成一道扁平而圆形的光环。
总之,地球将形成一道光环,其规模比土星的光环要小,但是物质的密度却大得多而且也要明亮得多,同时地球的光环距离太阳要近得多(尽管这些由月球碎片形成的光环,不像土星的光环由冰块组成,而将是由深暗的岩石组成的。)。
到那时,地球上有没有人类在观看那些美丽的光环呢?除非人类早就迁离月球而在附近其他星球上观看,否则地球上是不会再有人类在那里观看那些美丽的光环的。
当月球自我崩裂的时候,月球对地球的潮汐作用,其强度将是现在的15,000倍。但是,即使如此还不足以使地球崩裂,由于月球对地球的潮汐作用与地球对月球的潮汐作用相比要弱得多,何况地球依靠着一股更强的地心引力使自己保持一个整体。
然而,月球的潮汐作用将足以造成地球上潮汐高达数公里,从而使海洋洪水泛滥,冲刷着每块大陆。让我们回过来谈谈哑铃式旋转。那时,地球上一天相当于目前的47天。
设想一下,地球上从太阳升起到太阳落山,一天照耀长达560个小时左右,将会发生什么情况呢?当然,在某一段时间内,南北极地带日照时间将更长,然而那时太阳将是贴着地平线运行。再设想一下,在热带地区从太阳升起到太阳落山,烈日当空,火辣辣地照上整整560个小时。毋庸置疑,到下午二、三点钟的时候,海洋(要不是完全)几乎快给煮沸了。
仅仅这一点就造成人类在地球上居住发生了严重的问题,我们更不必去考虑地球在560个小时的漫漫长夜中将会出现那种南极的气候状况。
那漫长的白天和黑夜之间气温的变化,如果说不是不可能,至少使生物要想在这个星球上生存下去变得极其困难了。
当我们计算,月球需要多少时间向外推移,才能达到其公转周期为47天的距离的时候,我们将会发现,这同样也是一个学术问题。到那个时候,月球将从目前离开地球的距离再向外推移167,200公里。
假如月球以目前每年3厘米的速度,年复一年地继续向外推移的话,那么月球将需要大约55,700,000,000年才能达到地球和月球互相围绕着哑铃式地运转。
但是,月球将不以目前的速度继续向外推移。随着月球远离地球,向外推移,月球对地球的潮汐作用也将减弱,地球自转变慢的速度滞缓下来,同时月球向外推移的速度也将变慢。
根据我的推测,地球和月球至少需要70,000,000,000年才能形成哑铃式的运转。
当度过了7,000,000,000年(仅仅是形成哑铃式运转所需时间的十分之一),太阳将扩大成一个巨型的红火球,同时地球和月球都将从物质上遭到摧毁,这样的话,70,000,000,000年这么一段时期又具有什么意义呢?
在日趋灼热,日益扩大的太阳使地球变成一个无法居住的星球之前这7,000,000,000年的过程中,地球的自转周期将已经缓慢下来,但那时一天仅不过只有55个小时。事实上,考虑到月球潮汐影响的强烈程度逐渐减弱这样一个因素,我怀疑,当时一天将是43个小时,正巧是目前一天的两倍时间。
那时气候将变得白天比现在热而晚上比现在冷,地球那时也不像现在是一块适宜的地方——如果我们的担忧的仅仅是地球上还能不能居住的话,那么到那时,人类仍然还是可以在上面居住的。
但是,问题还有太阳;假定人类能活上七十亿年,那么将是日益扩大的太阳而不是地球逐渐缓慢下来的自转速度把我们人类赶出地球的!
[The Magazine of Fantasy and Science Fietion 1979年第5期]