知識的一大步：阿波羅計劃的科學遺傳

登月旅行的行李：1969年7月21日，照片中巴茲·奧爾德林（Buzz Aldrin）正在開展兩項阿波羅11號的科學實驗：被動地震監測實驗（左手）和月球雷射測距實驗（右手）。（致謝：尼爾·阿姆斯特朗/美國國家航空航天局）

撰文 | Sue Nelson

翻譯 | 谷大春

校譯 | 夏志堅

美國國家航空航天局發射的阿波羅11號首次讓人類成功登陸月球，這一歷史性的時刻必將永遠被銘記。不過，該項任務以及整個阿波羅計劃的其他部分也應該一並被銘記，因為它們不僅完成了多項科學研究，也讓一些科學研究成為可能。科學記者蘇·納爾遜（Sue Nelson）一直在探索阿波羅計劃遺留下的科學財富。 自1969年以來，世界發生了巨大的變化。那時，彩色電視正在興起，家用電腦還沒有出現，電話也只能掛在牆上。確如現在人們經常說的那樣，一部現代智能手機的處理能力都要比在1969年7月將尼爾·阿姆斯特朗（Neil Armstrong）、邁克爾·柯林斯（Michael Collins）和巴茲·奧爾德林（Buzz Aldrin）送上月球的電腦的處理能力強大得多。然而，儘管地球上的科技又已經經歷了50年的發展，但是美國國家航空航天局的阿波羅計劃所遺留下的科學成果仍然影響深遠。 就以在月球上布置的三座雷射測距反光鏡舉例，它們分別是被阿波羅11號,阿波羅14號（1971年1-2月）和阿波羅15號（1971年7-8月）的宇航員放置在那裡的。儘管已經在月球上待了近半個世紀，這些設備依然在正常運行。每個裝置都是由一組頂角反射棱鏡組成，其大小約同一個小手提箱，其中阿波羅15號的反射棱鏡陣列最大，其尺寸為65厘米×105厘米。通過使用地球上的望遠鏡，科學家們可以將雷射束對準這些反射棱鏡陣列，探測其反射回的光子，從而精確地測量出地球和月球之間的距離（詳細信息可參見報導《月球有多高》“How high the Moon”）。

這項測距實驗幫助我們了解月球的軌道、月球自轉的變化（與其質量分布有關）、地球自轉的速度、以及地球自轉軸的進動。它甚至可以被用來檢驗愛因斯坦的廣義相對論。同時，它還揭示了月球正在遠離地球的速度（每年3.8厘米，而且還在逐漸增加中）。如果你換個角度思考，該發現還佐證了解釋月球起源的理論。

吉姆·格林（Jim Green）是美國國家航空航天局的首席科學家，也是在那工作了40多年的物理學家。他說：“自從在月球上安裝了雷射反射器以來，我們發現月球一直在遠離地球，所有觀察的實驗結果都是相互一致的。如果月球一直在向外移動，那麽（在過去）它肯定離我們更近。所以通過目前已經得到的分析，我們可以確定月球是在一個離地球非常近的地方，在一次撞擊之後形成的。這一發現支持了一種有關月球及其起源的理論假設。”

月球起源

月球創造論，即大撞擊假說，是有關月球起源的一個理論。該假說涉及到一顆被稱為忒伊亞（Theia）的行星，該行星被認為與火星的大小相似，其運行軌道則與早期的地球相同。引力作用將忒伊亞和地球吸引到一起，並最終發生了巨大的碰撞，創造了我們後來所知的地球和月球。

與此同時，科學界還存在著一個與之相競爭的理論。該理論認為月球是由地球軌道上的碎片所形成。但無論在月球形成之前發生了什麽，有一件事是清楚的。格林教授表示：“當（一切）恢復平靜的時候，月球剛好位於我們所謂的洛希極限（Roche limit）之外。” 洛希極限是指衛星，例如月球，在圍繞較大天體運行時能夠保證自身存在的最小距離。“當時，月球形成於距離地球3倍地球半徑之外的區域。而現在,月地距離已經是地球半徑的60倍了，” 格林教授繼續解釋到，“這也就意味著如果你站在當時的地球上（當然我不推薦這麽做，因為那時的地球還處於一片混沌），你會發現那時天空中的月亮要比現在大16倍。”

同時，由於當時月球離地球很近，一個地球日的時長只有5個小時。格林教授用了一個經典的比喻來形容這個現象：當一個芭蕾舞演員在旋轉時，她的手臂離身體越近，旋轉的速度就會越快。他說：“當月球逐漸遠離地球時，地球自轉會變慢，這就像芭蕾舞演員把手臂移開時會減速一樣，以保持角動量守恆。”

格林教授解釋說：“以前關於地球和月球是如何組合在一起的理論，我們只是有一些基本的概念，但現在我們正在這方面大步邁進。” 換句話說，半個世紀前在月球表面進行的這項實驗，不僅給我們提供了地球和月球物理學相關信息的連續測量數據，同時還在持續影響和啟發著科學思想的進步。

短暫卻非凡

阿波羅11號的任務時間相對來說是比較短暫的。在阿姆斯特朗登上月球表面，邁出那舉世聞名的第一步後，他和奧爾德林從登月艙出發，隻向前探險了最多60米的距離，總共行走的距離也只有1公里。他們在月球表面總共待了不到三個小時，然後就安全地返回到了 “鷹號”（Eagle）登月艙。畢竟這次任務只是為了證明一些概念，除了政治上的申明外，它的主要目標還是要讓宇航員可以在月球上著陸並安全返回家園。

因此，在阿波羅11號任務期間，可以進行的科學實驗非常有限。在反光鏡旁，阿姆斯特朗和奧爾德林部署了一整套的實驗裝置，每個實驗裝置的安裝只花了10分鐘，這些裝置的設計目的是為了在宇航員離開月球後可以繼續向地球發送數據。這套設備中包含了一個被動地震監測實驗裝置（Passive Seismic Experiment），其靈敏度足以捕捉宇航員走路的腳步，甚至阿姆斯特朗在吊床上輾轉反側都能被檢測到。它在部署後運行了三周，記錄了月震（moonquakes）和流星撞擊的數據。這些數據為研究月球內部提供了信息。

月球上的實驗室:安裝於1971年7月-8月，阿波羅15號的有效科學載荷包括阿波羅月面實驗裝置的中央站（圖片中前景位置）、被動地震監測實驗裝置(圖片中背景左側位置)和太陽風光譜儀實驗裝置（圖片中間稍偏右的位置）。在這背後,我們可以看到大衛·斯科特（David Scott）正在安放阿波羅月面鑽機。（致謝:吉姆歐文Jim Irwin/ 美國國家航空航天局）

阿波羅11號任務還配備了一個探測器，可以用來測量月球塵埃的積累，以及異塵餘生對太陽能電池（為實驗和通信設備供電）的損傷。此外，阿姆斯特朗和奧爾德林還通過使用固定在一根柱子上的鋁箔片來收集太陽風樣本（到阿波羅16號時，鋁箔換成了鉑金箔）。這些箔片朝向太陽，並且被暴露不同的時間，以檢查太陽風組份的變化。然後它們被送回地球，由科學家檢測其中稀有氣體的同位素，這些同位素的數量會隨著太陽風力的強弱而變化。另外，在宇航員的頭盔上也裝有宇宙射線探測器，這些探測器在宇航員返回地球後會被進行分析。

阿波羅11號任務取得了很多巨大的成就，不過卻讓很多期望在月球上發現生命跡象的人感到失望。在返回地球後，宇航員、航天器和實驗樣本都經歷了21天的隔離。在此期間，“月球物質回收實驗室”（Lunar Receiving Laboratory）對承載月球樣本的容器進行了消毒，並使用光譜儀和顯微鏡分析了月球岩石的成分，以確定氣體、化學和物理性質，同時還進行了放射性和生物生命特徵的檢測。實驗室報告說：“無論在宇航員還是在飛船上，都沒有發現任何來自外星的微生物。”

科學升級

科學研究對於首次載人登陸的阿波羅11號來說可能還只是一個次要目標，但在隨後的1969年11月，伴隨著阿波羅12號的升空，科學研究任務便正式登上了舞台的中心。這次任務的主要目標包括對月球的檢查、測量和取樣，以及部署第一套完整的阿波羅月球表面實驗系統（ALSEP）。除掉在月球軌道和地月往返途中進行的勘察，阿波羅任務共計登錄月球表面6次，完成了53次實驗。不過，每次進行的實驗數量和類型都會因任務不同而各有差異。

例如，阿波羅12號、14號和15號都進行了超熱離子探測器實驗（Suprathermal Ion Detector Experiment），以探測能量小於50電子伏（50 eV）的正離子的通量、質量和相對能量。這些正離子的來源包括太陽風，以及因被紫外線異塵餘生而發生電離的大氣氣體。被動地震監測實驗裝置（由阿波羅11號、12號、14號、15號和16號分別部署）記錄到流星體撞擊之後不久，月球表面震動水準的增加。利用阿波羅14號上所攜帶的帶電粒子月球環境實驗裝置（Charged Particle Lunar Environment Experiment），以及阿波羅16號（1972年4月）和阿波羅17號（1972年12月）上的粒子軌跡宇宙射線探測器，科學家們對宇宙中的高能粒子進行了研究。

在阿波羅12號、14號和15號上，科學家們還進行了冷陰極離子測量實驗（Cold Cathode Ion Gauge Experiment），以測量月球上稀薄大氣的壓力。儘管該實驗在阿波羅12號上僅僅持續了幾周,但隨後的阿波羅14號和15號則在1971年至1975年間持續地將月球氣壓數據返回到地球。之後，阿波羅17號繼續通過使用月球大氣成分實驗裝置（Lunar Atmospheric Composition Experiment）來測量月球大氣的成分。實驗結果揭示：目前月球大氣主要的成分為氖氣、氦氣和氫氣。結合地震監測的結果分析，研究人員發現氬-40（氬元素的同位素）的水準會在地震活躍期間增加。這種氣體被認為是由地表下的放射性元素鉀-40（鉀元素的同位素）衰變產生，並隨著月震時地表出現的裂縫被釋放出來。

阿波羅12號、15號和16號上還裝備了一個月球表面磁力儀，用來測量月球自身的磁場和來自地球和太陽的外源磁場。通過幾個月的測量，來自外部的磁場波動可以被排除，進而揭示出月球自身的磁場在某些區域內隨時間的變化。利用磁力儀可以觀測月球進出地球磁場，通過一種名為 “電磁測深（electromagnetic sounding）” 的技術，科學家們可以估算出月球導電性隨其深度的變化。

阿波羅號宇航員所進行的各項科學實驗為研究月球內部信息提供了豐富的線索，即便是在幾十年後的今天，這些數據仍然暗藏著月球的秘密。以月球內核為例，儘管阿波羅號上的磁力計測量沒有表明月球擁有一個富含鐵的內核，但測量結果將月球內核的半徑限制在450公里以內，而這一數值也與月球地震監測數據相吻合。與此同時，通過雷射測距反光鏡觀測得到的月球自轉變化的結果進一步確定了月球內核的大小，結果顯示月球內核的半徑應該小於350公里。但直到2011年，研究人員重新分析被動地震監測實驗數據時，才獲得了更為詳細的月核圖像（文章發表在《科學》雜誌上，刊號 Science331309）。利用地震陣列處理技術來增強阿波羅任務數據中的微弱信號，科學家們推斷出月球內核富含鐵，是由一個半徑約為240公里的實心球體和一個90公里厚的流體外殼組成。科學家們重新分析的結果還表明，月核中還含有少量輕元素，比如硫元素，這與地球的地核極為相似。

月球塵埃和宇航服

然而，並非所有阿波羅任務的科學目標都能按計劃進行。在阿波羅11號上，阿姆斯特朗和奧爾德林收集了21.5公斤的月球岩石和土壤，但卻沒有采集任何月球環境樣本或氣體分析樣本。另外，由於時間的限制，他們也沒能按計劃完成所有的采樣記錄。

所有阿波羅號的宇航員都會被月球上非常細小的塵埃所困擾。這些塵埃覆蓋在月球表面，由於太陽異塵餘生會帶走電子，使其產生靜電，進而變得特別地“粘”。這些塵埃會堵塞、磨損、干擾宇航服和相關實驗。例如，阿波羅11號上的被動地震監測實驗就是因為月球塵埃的干擾，造成儀器過熱而失敗。而在阿波羅17號上，宇航員哈裡森·施密特（Harrison Schmitt）在報告中說到，月球上的塵埃讓他的靴子上粘了三層類似凱夫拉的材料。與此同時，他還抱怨 “月塵” 讓他產生了猶如 “花粉熱” 的症狀。

笨重的宇航服本身也造成了很多麻煩。阿波羅16號的指揮官約翰·楊（John Young）就曾被一根電纜絆倒而搞砸了熱流實驗。這一點提醒了美國國家航空航天局：當操作人員行動受限，而且還要穿宇航服和戴頭盔時，所有航天器的硬體都需要設計得更為結實耐用。

除了約翰·楊的那次意外，阿波羅16號的其他部分還是比較成功的。它的科學發現包括在地球周圍發現了兩條新的極光帶，以及拍攝了第一張氫原子波長的地冕照片。神秘的地冕是地球外層大氣的一部分，它是由氫原子組成的氣態雲，這些氫原子在遠紫外光的照射下會發出光亮。這些圖片證實了，在行星間的萊曼阿爾法背景下，地冕依然是可以被探測到的。所謂萊曼阿爾法背景是指由遙遠星系的中性氫原子發出的異塵餘生。更有意思的是，在2019年科學家們發現地冕層已經延伸到了月球之外（詳情可參見文獻：J. Geophys. Res. Space Phys.10.1029/2018JA026136），這也就意味著宇航員在拍攝這些照片時，其實還身處在地冕層的內部。 阿波羅16號的宇航員還在軌道上通過使用X射線熒光光譜儀（用以觀察鎂、鋁和矽元素）和伽瑪射線光譜儀（用以識別釷、鐵和鈦元素），測量了月球地表的成分。另外，阿爾法粒子光譜儀還探測到來自月球的放射性氡異塵餘生，並確定了放射性活躍的區域，比如阿里斯塔克斯隕石坑（Aristarchus Crater）。這表明在這些區域，月球地殼中的鈾元素含量相對較高。

更大的跨步

隨著阿波羅任務的進展，宇航員在艙外活動 （走出登月艙）的時間逐漸增加，科學實驗的時間也在增加。從阿波羅15號開始，宇航員甚至裝備了一輛電池驅動的月球車（the Lunar Roving Vehicle），可以帶著他們去探索月球上更遠的地方。到阿波羅17號，美國國家航空航天局的航天員在艙外創造了22個小時的活動記錄，累計行程約達35.9公里，共進行了10項科學實驗，驚人地收集了741份岩石和土壤樣本，其中有些樣本更是來自地表以下3米的深處。

在整個阿波羅計劃中，宇航員總共帶回了382公斤的月球岩石和土壤。這些月球岩石和土壤來源之廣，種類之多：從火山的玄武岩和月球高地（Lunar Highlands）上的古代岩石，到角礫岩。角礫岩是一種含有其他岩石或礦物碎片的沉積岩，它是在撞擊的過程中形成的。這些撞擊在月球表面上形成了在地球上清晰可見的獨特隕石坑。阿波羅11號和12號帶回的土壤樣本在地球上甚至被用於種植植物或是接觸種子。科學家們對35種不同的植物進行了試驗，結果發現月球上的土壤對這些植物來說是無害的。

漫遊月球：1972年12月13日，阿波羅17號宇航員哈裡森·施密特（Harrison Schmitt）在陶拉斯-利特羅著陸點進行艙外活動。在圖片背景中，我們可以看到月球漫遊車，是它將施密特和尤金·塞爾南（Eugene Cernan）從登月艙運送到了這裡。(致謝：尤金·塞爾南/ 美國國家航空航天局)

阿波羅12號的貯藏物中包括主教坑隕石（Bench Crater meteorite），這是人類在另一個世界發現的第一顆隕石，但該隕石的最大樣本還是來自阿波羅14號。英國曼徹斯特大學的月球地質學家凱瑟琳·喬伊（Katherine Joy）說：“這塊隕石樣本差不多和一個西瓜一樣大。” 在2013年，喬伊教授是分析研究主教坑隕石團隊中的一員，所用的實驗樣本就是由美國國家航空航天局的阿波羅計劃提供。

喬伊教授繼續說：“通過分析阿波羅計劃帶回的月球樣本，我們了解了月球外殼的形成過程，月球上的白色區域可能形成於岩漿海洋。早期的月球是非常熱的，然後晶體狀的地殼從岩漿海洋中逐步形成。這些信息是非常有用的，通過這些信息我們可以推測其他行星的地殼是如何形成的。”

從月球的照片看來，宇航員都是站在一個單調灰色的地表上。而喬伊教授在研究阿波羅任務帶回的樣本時卻發現了一個令人驚訝事實：月球塵埃下實際上五彩斑斕。她解釋說：“那些岩石有的很漂亮，而且晶瑩剔透。有些是明亮的白色，有些則是棕色，還有些是綠色。在一些岩石中，還存在著肉眼可見的大塊晶體。”

暗淡月球的斑斕色彩

儘管阿波羅計劃中包含了眾多的科學實驗，但在整個計劃中只有一位宇航員是受過科學訓練的，他叫哈裡森·施密特（Harrison Schmitt），於1964年在哈佛大學獲得了地質學博士學位。作為阿波羅17號任務的一員，他和同事吉恩·塞爾南（Gene Cernan）是目前最後一批在月球上行走的人類。在執行任務的過程中，當施密特發現一些土壤不是灰色的時候，他非常地興奮，大喊著：“這土是橙色的，橙色的！” 土壤之所以會呈現橙色是因為其中存在著火山玻璃，當然火山玻璃還可以呈現出其他色彩。喬伊教授解釋說：“月壤有些是黑色的，有些是灰色的。阿波羅15號就帶回有裝在瓶裡的美麗的綠色土壤，它也是源於火山玻璃。遠古時代的火山將其碎屑產物鋪灑在了月球的表面上。”

多彩月球：月球樣品薄片的顯微照片，樣品編號14053.（致謝：拉裡·泰勒/田納西大學）

在月球樣本返回地球後，美國國家航空航天局允許全世界各地的科學家團隊對其進行研究。通過這些研究，科學家們推斷大約在30億至38億年前，月球的近地側曾經有過活躍的火山運動。 “那些黑色的物質其實是玄武岩，我們在夏威夷或冰島也能看到這樣類似的岩石，” 喬伊教授繼續介紹到，“而那些白色區域則由類似於花崗岩的鈣長石組成。鈣長石主要是由一種名為長石的礦物構成。鈣長石對於月球來說非常重要，因為月球上大部分岩石都是由鈣長石構成的，它形成於岩漿海洋的最早階段。再後來，月球遭受到各種外來隕石的衝撞，由此變成一個巨大的混合體。”

“水冰月” ——月球上是否有水

在第一次分析月球樣品時，科學家們發現樣品中揮發性物質的濃度很低。揮發性元素和化合物的沸點很低，非常容易蒸發，例如氮、氫、二氧化碳、甲烷和水。所以科學家們推測月球是一顆乾燥的星球。

然而，在2010年，美國加州理工學院的傑裡米·博伊斯（Jeremy Boyce）教授領導的一個科研團隊對這一推測提出了質疑。該科研小組研究了一塊由阿波羅14號搜集的樣本編號為14053的月球玄武岩中的磷灰石顆粒（一種磷酸鈣礦物），他們利用離子微探針技術，發現了以羥基（OH -）結構形式存在的氫元素（文獻請參考 Nature466466），這意味著在月球地表下可能存在著水。事實上,從氫,硫和氯元素的含量來看,阿波羅14號帶回的磷灰石和地球上發現的火山岩基本相同，這就表明很可能它們形成的過程也是類似的。當然這並不意味著月球富含地球那樣的水資源，但它表明月球的地質過程至少能夠產生一種含水礦物。

月球可能不像我們最初認為的那樣乾燥，這一假設在最近一項關於月球的發現中也得到了證實。2018年，夏威夷大學的李帥和其同事通過光學方法，在月球兩極永久陰影的環形山區域發現了水冰存在的直接證據（相關文獻可參閱 PNAS1158907）。這可能是近期有關月球研究中的最偉大的發現之一。該發現對未來人類在月球上如何生存或是建立基地有著重大意義，特別是可以通過就地取材，製造出氫燃料電池為人類生存提供能源。 未來的月球之旅還將在很大程度上依賴於阿波羅計劃所獲得的信息和經驗。隨著人類分析技術的不斷發展和改進，阿波羅計劃帶回的樣本和數據將會揭示更多的奧秘。我們或許會在今年慶祝著名的 “人類的一大步” 的50周年，然而，阿波羅任務遺留下的科學財富依然有待人類去探索。

宇航員的後知後覺

科學家兼宇航員：阿波羅17號期間，哈裡森·施密特（Harrison Schmitt）在月球的陶拉斯-利特羅（Taurus-Littrow）著陸點用耙子收集樣本。（致謝：尤金·塞爾南/ 美國國家航空航天局）

2019年4月，我在華盛頓參加了美國國家科學院的一個研討會，以慶祝美國大學空間研究協會（Universities Space Research Association）成立50周年。1969年，該協會正式成立，旨在讓科學家研究阿波羅任務帶回的月球岩石和土壤樣本。會上，有位演講者是來自新墨西哥州的前參議員，他也是阿波羅17號的宇航員，一位訓練有素的地質學家，哈裡森·施密特。他展示了一張由美國宇航局月球勘測軌道飛行器（Lunar Reconnaissance Orbiter）拍攝的阿波羅17號著陸點的最新照片。月球勘測軌道飛行器的使命就是在過去的10年裡不斷地對月球進行測繪。同時，這個飛行器還記錄下了月球車在運輸樣品後，車輪留下的深灰色沙丘狀的軌跡。由於月球上沒有風和大氣，這些足跡到現在依然清晰可見。

阿波羅17號安裝在著陸點的主動地震實驗裝置（Active Seismic Experiment ）顯示在施密特的太空靴下大約有10~12米深的風化層。 “這裡的風化層要比其他地方的深一些，” 施密特指出。

當談及部署阿波羅月球表面實驗系統（ALSEP）的科學儀器設備時，施密特出人意料地苛責了自己。“為什麽我沒有走個50-80米把ALSEP部署在這裡，” 他指著登月艙附近的一個區域（這個區域對他這樣的地質學家來說顯然更讓人興奮）說，“而將它最後布置在這樣一個不太好的地方呢？我沒法告訴你們”。在聽眾的笑聲逐漸平息下來以後，83歲的施密特繼續補充說：“當你下到隕石坑裡的時候，情況看起來會很不一樣。”

在1972年末的最後一次任務中，施密特和他的同伴吉恩·塞爾南還在陶拉斯-利特羅山谷采集了一個月核樣本。這個樣品隨後就被密封，並且從那時起就再也沒被開啟過。今年早些時候，新墨西哥大學的地質學家奇普·希勒（Chip Shearer）宣布，他很快將開封該月核樣品，並使用最新的技術對其進行研究。相信研究結果將會進一步加深人類對月球的科學理解。