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月亮,雖然我們還能看到它,可它正在離我們遠去

問:讓月球不要飄走會有多難?

物理學家答:這種情況幾乎無法避免

約45億年前月球形成後,便不斷遠離地球。起初在天空中看到的月球要比現在的月球要大15倍,軌道也比現在的近15倍。其不斷遠離的趨勢隨著距離的增加快速衰減。今天,每年它仍以約4厘米的速度遠離地球。

圖解:地球上的漲潮(月球潮汐力引起的海水膨脹)是由地球自轉引起的。這些額外的海水力量將月球向外推進一點點,使其加速並使軌道上升。

由月球引力引起的潮汐推動大量的海水,而這些海水,就像所有的物質一樣,會產生引力。地球的自轉方向與月球的運行方向相同,由於海水不會立刻流回原有的位置,漲潮的引力就會將月球向外推動一點點距離。這些多餘的海水產生的引力近乎微不足道,然而這種引力卻將月球不斷加速向外推開。這種效應極其微小,因為在地球另一側會出現一次幾乎相同的漲潮,將其拉向靠近地球的軌道上。區別在於,靠近月球一側的潮汐力更近一些,作用更強一點。

在軌道上運動的物體一旦開始加速,其軌道就會變得更高(有趣的是,最終它會整體減速,只是更高更慢)。與此同時,潮汐力牽引著月球,月球的潮汐力也牽引著地球,使地球的自轉減速。

圖解:使月球運行加速的效應相對地月之間的距離而言是很微小的力量(地球海面上高了幾米的水牽引著月球)。這種整體效應是如此之小,以至於我們可以用不可思議但確實可行的操作來抵消它。

所以隨著月球漸漸飄走,地球上的一天也會慢慢變長。根據珊瑚化石顯示,就在5億年前,一天還只有22個小時。珊瑚並不是天生的記錄員,但它們卻有每天和每年的生長周期和相應的生長環。45億年前,在月球抵消掉那麽多地球自轉的慣性之前,地球上的一天只有6個小時。信不信由你(當時還沒有珊瑚來默默地記錄這一切)。所以月球正在慢慢飄走,結果就是我們地球上的人得以有時間去享用午餐和早午餐。

反光鏡是由三面相互垂直的鏡子組成的奇妙工具,可以將任何光線反射回光源,無論光線來自何方。如果有人用雷射照射你,穿一套覆蓋著反光鏡的衣服可以讓他很快付出代價。測量從美國和前蘇聯在1969年和1973年之間留在月球上的反光鏡上反射回來的雷射, 我們可以得到毫米級的地月距離數據,我們發現目前月亮是以每年大約4厘米的速度穩定地遠離地球。

圖解:左圖:月球測距項目的地球上的部分。右圖:月球上的部分。最初的雷射只有少量的光子能夠從那個小正方形鏡片組上反射回來,從而被重新探測到。所以左圖並不是一個雷射發射出去然後反射回來;而是有兩束雷射被同時發射出去。

如果有足夠的時間,月球最終會完全逃逸。幸運的是,在大約50億年之後,太陽將膨脹成紅巨星,不過在這一切發生之前地球和月球就已毀滅。所以,沒什麽好擔心的。

然而如果我們想繼續成為唯一一顆同時擁有日環食和日全食的行星(這是衡量行星例外主義的唯一客觀標準),我們需要在未來幾百萬年內迅速采取行動,防止月球離我們更遠。

圖解:地球和我們的月亮,是目前已知唯一可見環食(上)與全食(下)的組合。發生月全食時,太陽被完全遮蔽,只有環繞四周的日冕可見。

從能量的角度講,月亮的逃逸就像是一塊石頭滾落山坡。為了防止石頭越滾越快,每一年都需要采取有效措施抵消月亮獲得的能量,直到永遠。與幾乎所有其他星球規模的工程不同的是,“西西弗斯項目”(譯者注:西西弗斯,古希臘神話人物,觸犯眾神,受到的懲罰為將一塊巨石推上陡峭的山坡,巨石因為其重量會一次次滑落,因此他只能重複無盡的勞作,直至生命耗盡)並不是不可能的,只不過同樣昂貴且沒有意義罷了。

所有做圓周運動的物體都有角動量。假設月亮或衛星質量為m,以R為半徑繞質量為M的行星運動,G為引力常量,那麽其角動量為:

隨著半徑R不斷增大(月亮逐漸遠離地球),角動量L隨之增大。為了阻止月球遠離地球,必須采取措施抵消這種正相關來維持月球角動量不變。想要知道半徑極小的變化(4厘米)會使L值改變多少,只需進行微分即可。這便是微積分的領域-在已知一個變量值發生微小改變時(dr),求另一變量相應變化(dL)。

離子推進器能提供比月球逃逸速度更快的速度,不然它們也不會被選來推動月球,頂多只是裝飾用的噴泉罷了。它們也是最高效的空間推進方式,效率能夠達到80%(譯者注:內燃機,如汽車引擎,在30%-40%之間)。最強勁的推進器需要100kw的能量,產生大概5牛的力(差不多1磅)。

一台推進器工作一年可以為月球提供的角動量為

為了抵消月球每年所獲得的能量,我們大概需要兩千四百五十萬台最為強勁的離子推進器,每台需要至少50m*50m的太陽能電池板來提供其所需的100kw能量(已考慮到能量利用率以及夜晚缺乏光照)。為了使月亮保持其軌道,這些推進器只需要人類目前每年生產的能量的六分之一。如果我們真的要付諸行動,解決這個問題需要全人類的努力,這將以微弱之勢成為人類歷史上規模最大的合作行動。

如果你居住在月球上,你可以豎立一尊直指向地球的雕像,永遠不需要調整方向,因為月球的朝向相對地球而言是不變的。如果直指地球的雕像垂直於地面,那麽它位於近面(顯而易見的命名)的正中。同理,你也可以豎立一座直指月球逃逸方向的雕像。若雕像與地面垂直,那麽它位於西面的中央,臨近東海盆地。

圖解:月亮的半球相。近面(左上)應該看上去很熟悉。月亮正逐漸由近面轉向西半球(右下)。中央深色的坑就是東海盆地,同時也將是推進器的落腳處。

如果我們將所有的離子推進器以及其所需的電池與太陽能板安置在東海盆地,它們大概會佔據盆地75%的面積。考慮到相應的道路與後勤設施,鮮有土地可以保持原貌。

每台推進器差不多需要一噸氣體作為推進劑(氬氣與氙氣是常見的選擇)-噴射方向即月球逃逸的方向,以此來抵消。西西弗斯項目中上百萬台推進器產生的氣體就像是彗星經過內太陽系時的彗尾,也就是說,在晴朗的夜空中,你將能看到月亮的左側(對於南半球的讀者來說是右側)拖著一條又長又直的尾巴。

地球的大氣可以提供足夠的氬氣(佔大氣的1%)來維持推進器運行二十億年,因此我們有足夠的時間在其耗盡之前尋找替代品。重型獵鷹運載火箭每次可以為約20台推進器攜帶推進劑,所以在找到更好的方案之前,我們可能需要幾千台這種火箭將兩千四百五十萬台推進器所需要的氬氣送至月球。

相比之下,在月球上建造並維護所有的設施會艱難許多。就地取材(框架需要的鋼,太陽能電池板需要的矽)更加簡單可行,這也會波及東海盆地之外所有的地方:月球會遍布深深的溝壑,那是我們開採礦物留下的痕跡。

數億年內月球會漸漸遠去,地球上不再能看到月全食,潮汐作用也會逐漸減弱。通過可行但難以想象的付出,我們能夠確保月球不會飄走,我們的後代在幾億年內也能夠欣賞到更加豐富的天象(假設他們的視力還能勝任)。千萬年後,我們勉強稱得上是人類的後代也許會咒罵我們留下了這等無聊的任務;十億年後,我們肯定稱不上是人類的後代可能會憤怒地朝我們揮動他們的觸手。

不過,我覺得我們應該試試。

參考資料

1.Wikipedia百科全書

2.天文學名詞

3. askamathematician- randolph carter&HPYULEMAR

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