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奇怪的月亮

(月亮的謎團就是來路不明，到底是地球分娩出來的一個孩子，還是地球從太空俘獲的路人，還是二者是從同一團星云中誕生的同胞？)

關(guān)于地球起源的這個故事，似乎干凈利落，除了一個令人震驚的細節(jié)：月球。它太大了，忽視不得；在過去的兩個世紀(jì)，要想解釋它的存在，卻是難得離譜。小月亮，容易理解。佛波斯和戴莫斯(Phobos and Deimos)，兩塊城市大小的不規(guī)則石頭，圍著火星轉(zhuǎn)，顯然是被俘的小行星。幾十個大得多的衛(wèi)星，繞著更遙遠的木星、土星、天王星和海王星轉(zhuǎn)動；與它們的行星主人相比，都是小家伙——遠遠不到它們主人質(zhì)量的千分之一。那些衛(wèi)星中的，是由原本構(gòu)造行星剩下的塵埃和其他下腳料構(gòu)成的，圍著那些氣體巨球轉(zhuǎn)，它們構(gòu)成了宛如具體而微的太陽系。

地球的月亮，與此不同，與地球相比，它太大了：直徑超過地球的1/4，質(zhì)量大約是地球的1/80。如此怪物，其來何自？

歷史性的科學(xué)，尤其是地球與行星科學(xué)，依賴于別出心裁的故事(雖然故事多少是符合事實的)。如果有不止一個故事符合觀察結(jié)果，那么地質(zhì)學(xué)家常常采取一種謹(jǐn)慎的立場，此所謂“多重作用假說”——喜歡讀偵探小說的人，熟悉這個路數(shù)。

彪炳史冊的阿波羅登月開始于1969年之前，在發(fā)現(xiàn)太古的月亮巖石以及對月球內(nèi)部進行仔細的地質(zhì)物理學(xué)測量之前，三大疑問面對著“大月亮疑案”：個廣為接受的科學(xué)假說，是“分裂說”(“母子說”)，由喬治 霍華德 達爾文(名聲大不如其博物學(xué)家的父親查爾斯 達爾文)在1878年提出。在喬治 達爾文的方案中，起初熔化狀態(tài)的地球，圍繞地軸旋轉(zhuǎn)，速度太快，對地球又扯又拉，終于把一團巖漿從地面甩到了軌道上(也稍微借助于太陽引力)。這種模型的月亮，是地球的一個骨朵，撇出去了，也自由了。在這個戲劇故事的一個變體中，太平洋海盆仍然是一個透露隱情的標(biāo)志——地球母親生孩子時候留下的傷疤。

第二個打擂臺的想法，是“捕獲說”(“夫妻說”)，認(rèn)為月亮是獨自形成的，是較小的小行星；在正在涌現(xiàn)的太陽系中，月亮的郵政號碼和地球是一樣的。在某個時候，這兩個星體靠得太近，較大的地球就捕獲了較小的月亮，把它推進了一個環(huán)形軌道，這軌道也逐漸穩(wěn)定下來。貪婪的引力機制，為火星的那些較小的巖石月亮服務(wù)得蠻好，那引力有什么理由不伺候地球呢？

第三個假說，“共生說”，設(shè)想月亮多多少少是在它目前所在的位置上形成的，材料是地球剩下的下腳料構(gòu)成的一大團星云，仍然留在軌道上，繞著中間的行星地球轉(zhuǎn)，之后星云物質(zhì)凝聚濃縮成月球，月球又清空了地球周圍其他的剩余物質(zhì)。這個聽似有理的想法，活脫是我們所知道的太陽及其行星故事的翻版，活脫是我們知道的巨大的氣體行星及其衛(wèi)星故事的重演。那是一個司空見慣的主題，在太陽系翻來覆去地演練：較小的物體，是從繞著較大物體的那些由氣體、塵埃和巖石構(gòu)成的云團中逐漸積累起來的。

三個打擂臺的假說；哪個是對的？喜歡刨根問底的頭腦，得等著從月球巖石中來的資料——來自阿波羅登月的六個地點的840 多磅的標(biāo)本。

觸摸月亮

(直到從月球上采集到了貨真價實的巖石和土壤，月球的前世今生才水落石出，就好比找了些生物細胞做了DNA鑒定)

阿波羅登月使命，在許多方面使行星科學(xué)脫胎換骨。確實，阿波羅登月是一個無與倫比的展窗，炫耀美國的技術(shù)業(yè)績和冒險精神。毫無疑問，登月為軍事工業(yè)中心提供了強大的推動力。阿波羅激發(fā)的無數(shù)發(fā)明，從小型計算機到聚合物，到果珍飲料，提供了經(jīng)濟動力；由此而來的收益，可以為200 億美元的登月冒險買單若干次。國家驕傲與競爭“制高點”，才是既破費、又危險的早期月球項目的主因，而非月球科學(xué)，這就不叫人驚訝了。

即便如此，在我這一代地球科學(xué)家中，對阿波羅登月以及由此得來的地球巖石寶貝帶來的沖擊力，無論怎么夸張都不過分。就全部人類歷史而言， 月亮似在咫尺之外，僅僅在25 萬英里之外。在晴朗的夏夜，泛紅的滿月冉冉升起，此刻你感覺它伸手可及。但是，我們沒有標(biāo)本——沒有什么東西告訴我們月球是用什么造的，以及在何時、何處造的。有了批月亮標(biāo)本， 在人類歷史上，我們就能貨真價實地次摸一下月亮(如今到“史密森學(xué)院” 去參觀的人就能)。

我次真正聽說月球標(biāo)本，是在1969—1970 年冬，那時我是麻省理工學(xué)院的高年級學(xué)生。那是阿波羅11 號探險不到半年之后的事。戲臺在幾個月之前就搭好了；1969 年7 月24 日，當(dāng)時次踏上月球的幾個人凱旋。在月球探險的頭幾天，擔(dān)心人類被外來微生物感染，宇航員和標(biāo)本要遵守嚴(yán)格的免疫政策。因此，當(dāng)?shù)窃屡撛谙耐母浇奶窖竺嫔霞て鹄嘶ㄖH， 美國軍艦“大黃蜂號”把它撈回來，阿姆斯特朗(Neil Armstrong)、奧爾德林(Buzz Aldrin)和科林斯(Mike Collins)連同他們從空間帶回的45 磅無價的石頭與土壤，旋即密封在NASA 的“可移動免疫設(shè)備”里。從夏威夷， 他們被船運到休斯頓，進了那個暫新的“月球接待實驗室”。空間探險家們和他們的寶貴標(biāo)本坐了將近三個星期的禁閉，免得某種討厭的東西陪著宇航員來到地球。

阿波羅登月的幾次任務(wù)，在此后的三年緊鑼密鼓地進行。阿波羅12 號登月艙“無畏者”及其宇航員小康拉德(Charles Conrad Jr.)和比恩(Alan Bean)，在1969 年11 月19 日觸摸到了月球，一星期后返回，帶回來大約70 磅月球巖石和土壤，也一溜煙地送到休斯頓的免疫設(shè)備里。憑著好運氣，我的論文指導(dǎo)老師，才華橫溢的大衛(wèi) 文斯(David Wones)，是阿波羅12 號的“月球樣本初步調(diào)查小組”的成員之一。那一小組科學(xué)家，得到了光榮任務(wù)，審查第二批寶貴的月球標(biāo)本，使用的是藝術(shù)般級別的分析武器。大衛(wèi)的拿手好戲是火成巖石學(xué)——研究巖漿形成的那些巖石的起源。阿波羅11 號和12 號的全部月球巖石的起源都是火成的，因此他就進了地質(zhì)學(xué)家的樂園。從某種意義上說，那是一個艱難的任務(wù)：一個月的大部分時間，他和另外幾位興致勃勃的科學(xué)家都給鎖了起來，在壓力之下，從人類搜集到的昂貴而重要的一些巖石標(biāo)本上，歸攏堅實的數(shù)據(jù)。但是，能作為頭一批操作另外一個世界的巖石和土壤的人員之一，也令人興奮得不可想象——來自太空的東西，將一勞永逸地告訴我們月球的起源。

我次湊近看月球，是在大衛(wèi)從休斯頓返回麻省理工學(xué)院。我記得， 在“綠樓”12 樓，電梯門開了。大衛(wèi)出來了，中等個，戴眼鏡。一邊一個聯(lián)邦特工：高大魁梧，穿制服，帶槍。特工保衛(wèi)月球標(biāo)本；在收藏市場上，那些標(biāo)本值幾百萬啊。每一毫克都記錄在案。大衛(wèi)看上去疲勞而緊張；他離校很長時間了，他一直受到監(jiān)控，他還有一個工作要做。

月球標(biāo)本這個課題提到了日程，此時大多數(shù)人立刻想到了月球巖石，那可能是某種厚實之物，你可以抓在手里。但是，月球材料的一個很大部分， 是月球土壤，或者叫風(fēng)化層，也就是浮土。風(fēng)化層的細小顆粒，是巖石變來的細塵，你用顯微鏡也看不清那么小的顆粒——此乃宇宙暴力摧殘的結(jié)果； 那些宇宙暴力，是從雷霆萬鈞的小行星轟擊，到持續(xù)不斷的太陽風(fēng)。這種超級粉末有些奇怪的屬性，可注意的是它碰到什么，就粘附什么，跟復(fù)印機里的色粉相似。大衛(wèi)的任務(wù)是把一些這種粉末從一個大瓶子(大約2 號電池大小)，轉(zhuǎn)移到三四個小瓶子里(大約7 號電池大小)，以便分發(fā)給附近的幾個實驗室。

聽起來容易。把粉末從大瓶子倒在一張3 平方英寸的粉紙上，粉紙表明光潔。小心翼翼地用小勺把少量裝入小瓶子里。與此相似的操作，大衛(wèi)做過幾百遍，耗時不該超過一分鐘。但是，此處的貨色值錢得多。缺乏幽默感的保安，分立兩側(cè)；一小撮學(xué)生也在觀望。因此，在傾倒大瓶子的時候，大衛(wèi)的手開始有點顫了。粘性的粉末粘在瓶壁上，不想出來。他用食指敲打瓶子。不管用。再敲。

接著，突然之間，全部的這些月球塵土——其實不過圓錐巧克力大小的那么一小堆，但在這種情勢下，它好像很不少——呼啦一下都出來了，然后噗！塵埃飛起來，濺在大衛(wèi)手指上，撒出了粉紙的邊緣，撒到了桌子上。我們大家都必定吸進了一些彌漫在空氣里的月球顆粒。無人說話。

這不是一個真正的災(zāi)難，因為沒有丟失什么，那些粉末終也到了小瓶子里，聯(lián)邦調(diào)查局的保安終離開，把幾份樣本送到其他實驗室。回想起來，我們都認(rèn)為事情頗為滑稽。幾天之后，在試驗臺上，粉末分份兒就在這里完成，我們?yōu)槟瞧? 平方英寸的粉紙裝了框子；在月亮塵埃之間，是大衛(wèi) 文斯左手食指的一個幾乎的指印。

另外四次阿波羅登月緊隨其后，在1972年12月達到高潮：阿波羅17號往返帶回取自月球的“金牛座-利特羅山谷”(Taurus-Littrow Valley)的275磅樣本。那個地區(qū)可能有月球的地震活動。四十年了，無人再返回月球。然而，月球巖石，小心翼翼地保存在無菌的地下室里，地點是NASA在休斯頓的“約翰遜空間中心”的“月球樣本大樓”(德克薩斯州圣安東尼的“布魯克斯空軍基地”也有一個重兵把守的藏品庫)。那些樣本繼續(xù)為研究者提供大量奇妙的探索機會。

后一次阿波羅任務(wù)幾年之后，那些樣本為我提供了份真正的工作。作為“卡內(nèi)基學(xué)會”的地球物理學(xué)實驗室的博士后，我的任務(wù)是檢查阿波羅12號、阿波羅17號和月神20號(此乃蘇聯(lián)三次無人探索中的一次，帶回的大約三分之一磅的月球樣本)的幾堆“細物”。把月球土壤細塵散開，是很多淤泥和沙子大小的顆粒，我的任務(wù)是花幾小時，用顯微鏡細審那些顆粒，一點一點的、紅紅綠綠的漂亮小晶體，以及微小的彩色玻璃體的小金球——那是幾十億年的隕星暴烈轟擊下的巖石殘留物。

一旦我分離了幾十個看來有意思的小顆粒，我就對每一個非同一般的顆粒進行三種分析：首先是單晶的X光衍射，這是要知道我們對付的是哪類晶體。我的大多數(shù)研究集中于普通的礦物橄欖石、輝石和尖晶石。如果我發(fā)現(xiàn)了一個很好的晶體，我就仔細地擺正它的方向，測量其吸收光譜——晶體吸收不同波長的光。綠色的橄欖石晶體，比方說，一般是吸收紅色；與此不同，紅色的尖晶石晶體吸收更多的綠色。我還測量那些不一般的玻璃顆粒的光譜，時時注意吸收光譜上的那些能夠說明問題的凹凸和扭曲，那表示稀有元素——比方說，鉻和鈦。我發(fā)現(xiàn)了一個625納米的小顆粒，稍微吸收橘紅光，此乃鉻元素的特點；它是在月球上產(chǎn)生的，跟地球上的鉻頗不相同。這個發(fā)現(xiàn)是一個難忘的“我可找到了”(eureka)的時刻。

后，在X光和光學(xué)工作做好之后，我用一種昂貴的分析儀，名為電子微探針，來確定我樣本中各元素的比例。我一再地確認(rèn)了別人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了的事情：月球表面的礦物，雖然與地球上的主要元素是相似的，但在細節(jié)上與我們在地球表面發(fā)現(xiàn)的東西大不相同。月球礦物含有更多的鈦；鉻也不一樣。

阿波羅巖石提供的這些以及其他的新線索，為月球起源的諸多理論提供了嚴(yán)格的檢驗。首先，事實證明月亮迥異于地球。這意思是：月球的密度是低太多的；月球沒有一個巨大而致密的鐵核。地核質(zhì)量占地球全部質(zhì)量的將近三分之一，但月球的小核僅占其質(zhì)量不到3%。其次，月亮巖石里幾乎沒有易變的那些元素的痕跡——那些元素，每當(dāng)東西變熱，就蒸發(fā)掉，如氮、碳、硫和氫，在地表都是尋常之物，在月球塵土中卻不見蹤影。這種缺乏意味著月球不像地球，地球覆蓋著液體水，地球土壤含有豐富的富水礦物，如黏土和云母；阿波羅登月帶回的任何東西，都沒有含水的礦物。必有某種事情對月球連炒帶烤，把易變元素撇除了，因為月球如今是一個干燥的地方。

阿波羅登月的第三個關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)，基于氧元素；說得更具體些，是基于氧的同位素分布。每一種化學(xué)元素，都由原子核中帶正電荷的質(zhì)子數(shù)來確定。“氧”僅僅是“有8個質(zhì)子的那種原子”的一個綽號。原子核里還有第二類粒子，是不帶電的中子。宇宙中超過99.7%的氧原子，有8個中子(8個質(zhì)子加8個中子，就得到所謂同位素氧-16)，而比較稀有的同位素有9個或10個中子(分別是氧-17或氧-18)，只占不到1%。

氧-16、氧-17和氧-18，就其化學(xué)行為而言，其實是相同的——把它們?nèi)我饣旌掀饋恚粑悴粫杏X異樣——但是，它們的質(zhì)量確實是不同的。氧-18比氧-16重一些。因此，每當(dāng)含氧化合物從固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，或者從液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)，較輕的氧-16是比較容易變化的。在騷亂的原始太陽系中，三態(tài)變化司空見慣，導(dǎo)致氧的各種同位素在數(shù)量上變來變?nèi)ァＪ聦嵶C明：氧-16與氧-18的比例，隨著行星的不同而不同，對行星在形成之際與太陽之間的距離很敏感。阿波羅巖石表明月球氧的同位素比例，與地球的其實相同。換言之，地球和月球在形成之際，離太陽的距離必定大體是一樣的。

如此一來，這些發(fā)現(xiàn)把那三種打擂臺的月球形成理論置于何地呢？“共生說”一開始就陷入了麻煩。假如月球是用地球的下腳料制造的，那么月球的平均構(gòu)成成分就應(yīng)該和地球相似。確實，月球和地球在氧的同位素方面是相符的，但鐵和易變元素大大不同就不可解釋了。月球的主要構(gòu)成成分太不相同了，不可能和地球在大體相同的地方由相同的材料構(gòu)成。

構(gòu)成成分上的不一致，也為“捕獲說”制造了不可逾越的問題。行星運動的理論模型表明：任何被俘的小行星，必定是在太陽系星云中形成的，它們與地球離太陽的距離是一樣的，因此其構(gòu)成成分也應(yīng)該與地球大體一樣。事實卻不是這樣。當(dāng)然，月球大小的物體或許是在太陽系星云的其他區(qū)域形成的，因為走了一條與地球軌道交叉的軌道；但是，軌道動力學(xué)的計算機模型，要求如此這般的一個月亮，速度要比地球更高，這使得捕獲的情節(jié)全然不可能發(fā)生。

還剩下喬治 霍華德 達爾文的“分裂說”；這個理論能成功地解釋相似的氧的同位素構(gòu)成(地球和月球是一個系統(tǒng))，也能解釋鐵的不同(地核早已形成，因此形成月球的那一團東西，是早被地球分化出來的那種東西，也就是含鐵很少的地幔。)這個理論地符合如下事實：月亮總是面對地球：地球的自轉(zhuǎn)與月球的軌道，遵從相同的旋轉(zhuǎn)運動，都圍繞著地軸——相同的運動步調(diào)。但是，還有一個大問題：月球上如今不存在的那些丟失了的易變元素，哪兒去了？

物理學(xué)定律也擋了“分裂說”的路。大約在阿波羅登月那年代，關(guān)于行星形成的計算機模型取得了進步，結(jié)果理論家能十拿九穩(wěn)地研究一個飛旋的、地球大小的巖漿球的動力學(xué)表現(xiàn)。簡而言之，分裂說行不通。地球引力非常強大，不允許一團熔化的巖漿甩到軌道上。實際上，地球若想甩出月亮大小的一團巖漿，那么稀里咣當(dāng)?shù)牡厍虮仨氁噪y以置信的速度繞地軸飛轉(zhuǎn)，大約一小時自轉(zhuǎn)一圈。要發(fā)生這種事情，地球和月亮系統(tǒng)根本沒有足夠的角動量。

簡而言之，在阿波羅登月之后，關(guān)于月球形成，之前的這三種主要理論都不符合數(shù)據(jù)。那必定存在另外一種解釋。