百科：月球形成之謎

從古至今，懸掛在夜空中的一輪明月，都是人類心目中最親近、最熟悉的天體。關(guān)于月球 ，我們有嫦娥奔月、玉兔搗藥和吳剛伐木的神話傳說;古希臘有月桂女神的故事;古印度人甚至認(rèn)為月亮代表男性，地球代表女性。然而，這個(gè)從人類文明誕生時(shí)就陪伴我們的朋友——月球，其形成原因卻一直都是一個(gè)謎。雖然科學(xué)家通過種種假說試圖解釋月球形成的原因，但卻總存在各種瑕疵和爭(zhēng)議。2014年以來，最新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)又讓原本最有可能“勝出”的“碰撞假說”出現(xiàn)危機(jī)，如今這個(gè)千古之謎，變得更加撲朔迷離。
　　關(guān)于月球形成的不同假說
　　研究月球的形成，其實(shí)也就是研究地球和月球之間的關(guān)系。關(guān)于地月關(guān)系，學(xué)術(shù)界有幾種不同的理論假說，包括共積說、捕獲說、分裂說和碰撞說。
　　共積說的觀點(diǎn)是，月球和地球同時(shí)形成于太陽系的同一物質(zhì)源區(qū)。捕獲說認(rèn)為月球和地球形成于太陽系不同的區(qū)域，后來在某種情況下，由于地球引力的原因，月球被拉捕到近地軌道。分裂說的理論認(rèn)為，在地球形成的早期，由于地球的自轉(zhuǎn)速度很高，甩出去一部分地球物質(zhì)，這一部分物質(zhì)碰撞聚合形成了月球。碰撞說則認(rèn)為，在地球形成的早期，當(dāng)時(shí)的地球可能只有現(xiàn)在地球的一半那么大，后被一個(gè)火星大小的行星撞擊，撞飛的那一部分物質(zhì)形成了目前的月球 。還有一種碰撞說認(rèn)為，是兩個(gè)大小差不多的星體碰撞聚合形成了地球。
　　這些假說，各有優(yōu)劣。共積說的問題在于不能解釋地球和月球之間的角速度，以及為什么月球的金屬核占月球的總比重相對(duì)于地核占地球的比重要小得多。我們知道，太陽系的行星由內(nèi)向外分為兩大部分，中心是一個(gè)主要由金屬組成的內(nèi)核，圍繞著金屬內(nèi)核的是由礦物鹽組成的幔部和表殼。

　　捕獲說目前基本上已經(jīng)被學(xué)界放棄，因?yàn)橥耆荒芙忉尀槭裁丛虑蚝偷厍虻暮芏嗤凰亟M成完全一樣。同位素，顧名思義，就是在元素周期表上占有同一方格位置的物質(zhì)。這些物質(zhì)的質(zhì)子數(shù)相同，而中子數(shù)不同。比如，氧（元素符號(hào)是O）這種元素，有3個(gè)同位素，16O、17O和18O。在太陽星云的不同位置，16O、17O和18O三者之間的相互比值是不一樣的。在靠近太陽的行星，如金星，溫度比較高，16O的含量就比較少;遠(yuǎn)離太陽的行星，比如海王星，16O的含量就要比靠近太陽的行星多。因此，如果月球和地球形成于太陽系的不同區(qū)域，那么它們的氧同位素就會(huì)不同。
　　分裂說不僅不能解釋地月系統(tǒng)的角速度問題，還認(rèn)為形成月球的物質(zhì)就是從目前太平洋那個(gè)“大坑”甩出去的那一部分物質(zhì)。但是，實(shí)際上月球上巖石形成的時(shí)間要比太平洋形成的時(shí)間早得多。月球大約形成于45億年前，而太平洋是在0.07億年前因?yàn)閷呒{古老大陸裂解形成的。
　　相比較而言，碰撞說能從動(dòng)力學(xué)角度解釋地月系統(tǒng)的角速度問題，但是不能解釋為什么地球和月球的很多同位素組成完全一樣。如果月球是因?yàn)榈厍虮恍⌒行桥鲎残纬傻?，那么碰撞過程中爆發(fā)的大量能量必然會(huì)導(dǎo)致比較輕的同位素（如16O）逃跑得比較快，而比較重的同位素（如18O）會(huì)逃跑得比較慢。如果月球是地球飛濺出來的物質(zhì)形成的話，月球就會(huì)比地球含有更少的16O，因此月球的16O/18O的數(shù)值就要比地球的高。
　　2001年發(fā)表的氧同位素研究發(fā)現(xiàn)，地球和月球的氧同位素組成是一樣的，這一發(fā)現(xiàn)直接挑戰(zhàn)了碰撞說。由于科學(xué)界對(duì)碰撞說“情有獨(dú)鐘”以及科學(xué)家們固有的嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，人們嘗試了各種方法挽救碰撞說。一種挽救的說法是，碰撞后飛濺出來的物質(zhì)其實(shí)形成了一個(gè)圍繞地球的熔融星盤（這個(gè)熔融星盤最后形成了月球），這個(gè)熔融星盤和地球之間發(fā)生氧同位素溝通互動(dòng)，最后導(dǎo)致地球和月球的氧同位素達(dá)到了一致。另外一種挽救的說法是，氧是極其容易揮發(fā)的元素，即便是在行星大碰撞過程中發(fā)生了16O的逃逸，當(dāng)時(shí)的觀測(cè)精儀器也測(cè)不出月球和地球的16O/18O數(shù)值有什么不同。
　　十幾年以后，也就是2014年，科學(xué)家們改進(jìn)了儀器和測(cè)定16O/18O的方法，發(fā)現(xiàn)月球和地球的氧同位素?cái)?shù)據(jù)確實(shí)略有不同。但是，這種差異是什么原因造成的，在科學(xué)界卻有不同的看法。有人認(rèn)為月球和地球之間的氧同位素差異，可能是當(dāng)時(shí)撞擊地球的那顆小行星的特征。還有人認(rèn)為后期增積假說也能造成月球和地球的氧同位素不同。后期增積假說指的是在地球被撞、月球形成之后，還有后續(xù)的大量的隕石掉到地球上。這個(gè)后期增積的隕石量大概占到地球總質(zhì)量的0.5%。

　　鎢同位素帶來新的“危機(jī)”
　　如果說用氧這種揮發(fā)性很強(qiáng)的元素不能解決月球的形成問題，那么什么元素可以用來解決這一問題呢？答案是：不揮發(fā)元素。如果以一種不揮發(fā)元素為標(biāo)準(zhǔn)，月球和地球的這種元素的組成就應(yīng)該是一樣的。鎢就是這樣一種元素，它在高溫條件下也不揮發(fā)，比如電燈泡里面的燈絲就是用鎢做成的。但是對(duì)月球來說，事情并沒有想象的這么簡(jiǎn)單。
　　2015年《自然》雜志上同期發(fā)表了兩篇關(guān)于月球鎢同位素（187W/188W）的文章，均證實(shí)月球的鎢同位素組成和地球不一樣。這一發(fā)現(xiàn)讓碰撞說雪上加霜。但是，和解釋氧同位素一樣，人們也嘗試用后期增積假說來挽救碰撞說。因?yàn)樵虑蛐纬梢院?，如果給地球加入一定量的隕石物質(zhì)之后，比如加入占地球總重量0.5%的隕石物質(zhì)，確實(shí)能導(dǎo)致地球和月球的鎢同位素組成不同。當(dāng)然，月球在形成以后也接受了一些隕石物質(zhì)，但是因?yàn)榈厍虮仍虑虼蟮枚?，所以地球接收到的隕石物質(zhì)要比月球多得多。不過這一解釋，并未獲得完全認(rèn)可。
　　月球形成的諸多理論，在層層檢驗(yàn)過程中，已經(jīng)只剩下碰撞說，如今碰撞說也遇到了危機(jī)。但危機(jī)并不意味著“天塌地陷”，危機(jī)歷來都是新生的母體?？茖W(xué)就是這樣一步一步前進(jìn)的，通過不斷改變儀器設(shè)備，不斷開發(fā)新的測(cè)試分析技術(shù)，對(duì)已有的理論提出質(zhì)疑。比如，在美國(guó)阿波羅登月計(jì)劃之前，人們對(duì)月球形成的任何說法都只能屬于猜想。如果沒有阿波羅計(jì)劃從月球上采集的樣品，人們?cè)趺粗涝虑虻哪挲g要比太平洋大得多，從而證明分裂說是錯(cuò)誤的？如果沒有計(jì)算機(jī)的發(fā)明，人們?cè)趺茨芡ㄟ^計(jì)算機(jī)模擬來分辨哪個(gè)假說是相對(duì)可靠的？如果沒有高精度質(zhì)譜儀的發(fā)明，人們?cè)趺茨軠?zhǔn)確測(cè)定月球和地球的同位素組成，從而質(zhì)疑碰撞說？
　　科學(xué)沒有“一蹴而就”的本事，干不出“畢其功于一役”的事情來，就算是愛因斯坦的廣義相對(duì)論也仍然處于不斷地修改和完善中?？茖W(xué)只能一步步去偽存真，一步步逼近真實(shí)，通過不斷地檢驗(yàn)，最終知道什么是最可靠的。
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　　為什么“嫦娥計(jì)劃”值得關(guān)注？
　　目前關(guān)于月球的研究有一個(gè)巨大的缺陷，那就是不僅大部分月球樣品 （總重量只有400千克左右）都是美國(guó)航空航天局的阿波羅計(jì)劃采自月球靠近地球的一面，而且采樣點(diǎn)又局限在幾個(gè)大的月球表面的隕石撞擊坑周邊，沒有一件樣品采自月球遠(yuǎn)離地球的一面。那些掉到地球上的月球隕石，風(fēng)化蝕變太嚴(yán)重，不能用來解決科學(xué)問題。或許，目前所采集到的月球樣品不能代表月球本身。這也正是我國(guó)嫦娥計(jì)劃必須進(jìn)行的原因，也是為什么嫦娥計(jì)劃得到了全球科學(xué)家關(guān)注的主要原因。如果我國(guó)未來的嫦娥計(jì)劃能夠采到月球遠(yuǎn)離地球一面的樣品，必定能夠在很大程度上解決月球樣品的代表性問題，能夠解決月球的形成這一困擾了人類幾千年的謎題。
　　【責(zé)任編輯】張小萌