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本文发表于《科学画报》 2014 年第 12 期 (上海科学技术出版社出版), 发表时的标题为 “有满月之咒吗”。

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满月之咒?

- 卢昌海 -

本文是替《科学画报》撰写的专栏短文, 本站版本在若干人名和术语初次出现时注有英文。

撰写本文时, 正是美国的 “万圣节” (Halloween), 也称 “鬼节”。 这是孩子们的最爱——可以穿上奇装异服, 扮成鬼怪四处讨要糖果等。 这也是电影院 “鬼片” 迭出的日子, 就连素来严肃的科学场馆, 有时也会迎合气氛, 比如芝加哥的阿德勒天文馆 (Adler Planetarium) 就在今年推出了题为 “红月亮之咒” (Curse of the Blood Moon) 的新片。 说起来, 将月亮——尤其是满月——神秘化还真是常见的故事或伪科学题材, 比如传说中的 “狼人” (Wolf Man) 就是每逢满月之夜, 就从人身变为狼身; 相信所谓 “满月之咒” (curse of full moon), 将满月跟暴力、 灾难, 乃至股市变化等等联系起来的也大有人在。

这些都只是故事、 附会或无稽之谈。 不过, 2006 年, 科学家们居然真的发现了一个跟满月有关的奇怪现象。

这现象还得从阿波罗计划 (Project Apollo) 说起。 该计划最大的成就当然是将人送上了月球, 但它还有一些不太出名, 却同样有价值的贡献, 比如 1969-1971 年间, 阿波罗 11、 14、 15 号飞船在月球上留下了一组反射装置, 能将射往月球的激光束反射回来, 利用激光束经反射往返所需的时间, 科学家们能精确地测定出地月距离。

在利用那组反射装置方面做得特别精密的是美国加利福尼亚大学圣地亚哥分校 (University of California, San Diego) 的物理学家墨菲 (Tom Murphy) 等人, 他们测定的地月距离的精度达到了不可思议的毫米量级。 不过, 在测定过程中, 墨菲等人发现了一个奇怪现象, 那就是反射光——即被反射装置反射回来的光——的强度只有计算值的十分之一左右, 更奇怪的是: 每逢满月之夜, 强度还会进一步降低一个数量级, 降到只有计算值的百分之一左右!

这无疑是一个奇怪、 甚至有些神秘的现象。 对于这种现象, 首先可以猜测的是偶然性——比如观测误差。 别小看这种猜测, 很多所谓神秘现象正是将偶然误当成必然所致。 不过, 这回的现象很快就被证明不是偶然的, 因为它是可重复的, 在每个满月之夜都会发生。

既然不是偶然现象, 就该有必然原因, 莫非真的有 “满月之咒”? 科学家们自然不会这么想。 那么, 究竟什么原因会降低反射光的强度呢? 科学家们想到了一个很平凡的因素: 灰尘。 计算表明, 反射装置中的反射镜只要有一半左右被灰尘覆盖, 反射光的强度就会降到原先的十分之一左右, 与墨菲等人观测到的情形相一致。

对于那更奇怪的满月之夜的光强进一步降低一个数量级的情形, 科学家们也提出了解释, 那就是满月之夜有一个特殊之处: 阳光能照到反射装置的反射镜上 (这是因为反射镜位于反射装置的底部, 只有阳光接近直射时才会被照到, 而满月之夜的阳光正好接近直射)。 阳光照到反射镜上原本是没什么大不了的 (因为会被反射掉), 但灰尘的存在改变了一切, 因为灰尘会吸收阳光, 被吸收的热量会通过热胀冷缩等效应干扰反射镜的功能。 计算表明, 这种干扰恰好能使反射光的强度进一步降低一个数量级。

至此, 一个能解释现象的假设形成了。 接下来是对它进行检验。 当然, 假设所试图解释的现象本身也是对它的检验, 但科学家们通常希望能对假设所导致的其他推论也进行检验。 那么, 上述假设有可被检验的其他推论吗? 有! 一个显而易见的推论就是: 假如在满月之夜不让阳光照到反射镜上, 反射光的强度就应该跟非满月之夜相同 (即不会进一步降低一个数量级)。

但是, 反射镜远在月球上, 有什么办法能在满月之夜不让阳光照到它呢? 科学家们想到了一个妙法, 那就是利用月食, 因为在月食期间, 地球本身将挡住射向月球——其中包括反射镜——的阳光。 2010 年 12 月 21 日, 墨菲等人利用一次月全食对上述假设进行了检验, 结果非常漂亮: 反射光的强度随着月食的进行逐步增强到非满月之夜的强度, 然后又随着月食的结束重新降低到满月之夜的强度。

“观测-假设-检验”, 这项精巧的小研究不仅支持了假设, 而且很好地演示了科学研究的步骤。 不过, 探索不会因此而终结。 可以预期, 科学家们不仅会重复此类检验, 而且还将检验更多的推论, 比如既然灰尘是 “罪魁祸首”, 那么反射光的强度应该会有随灰尘的积累而持续降低的趋势, 这也是可以检验的 (事实上, 墨菲等人已经注意到了历史数据与这种趋势基本相符, 更多的检验则有待未来)。

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网友讨论选录

  • 网友: labniz   (发表于 2014-12-02)

    很有趣的研究, 科学在于细节, 此言不谬。

  • 网友: XXFF   (发表于 2014-12-02)

    有意思。 是否有长期连续观测的数据 (1970-2014), 灰尘应该有长期积累过程, 有就更清楚了, 可以排除元器件老化等其它因素。 挺好奇, 毫米级误差是如何达到的 (有数据吗)? 经过大气层的误差就可能厘米级了, 在空间站测的?

  • 网友: 来自 58.199 的游客   (发表于 2014-12-03)

    我觉得达到毫米级的误差是长期多次测量的结果, 大气层的干扰被平均掉了。

  • 网友: 卢昌海   (发表于 2014-12-03)

    “毫米级误差是如何达到的 (有数据吗)?”——因与本文无关, 我不曾查阅他们是如何达到毫米级误差的 (我猜测实际指的有可能是反射器与激光发射器之间的距离, 要折算成地月距离还需要以同样精度知道两者与月球、 地球质心的距离, 很困难), 不过可参阅下面这篇文章: T. W. Murphy Jr. et al, APOLLO: millimeter lunar laser ranging, Classical and Quantum Gravity, 29, 184005 (2012).

  • 网友: 来自 168.26 的游客   (发表于 2014-12-03)

    本文中写到 “他们测定的地月距离的精度达到了不可思议的毫米量级”, 为什么又说 “与本文无关”?

  • 网友: 卢昌海   (发表于 2014-12-03)

    所谓 “与本文无关” 指的是不起逻辑作用, 有和无都不影响主题的完整性。 就好比本文也提到了 “题为 ‘红月亮之咒’ (Curse of the Blood Moon) 的新片”, 但不会介绍该片的内容。

  • 网友: XXFF   (发表于 2014-12-04)

    谢谢昌海兄提供的文章。 谈的地月激光测距 (LLR) 是指反射器与激光发射器距离, 质心坐标同样精度做不到吧, 有资料中观测点坐标精度都是厘米级。

    “我觉得达到毫米级的误差是长期多次测量的结果, 大气层的干扰被平均掉了。”——是的, 有资料中单次测距精度 1-2cm, 标准点 (NORMAL POINT DATA) 测距, 即 10-20min 时间多个观测点的平均结果能到 2-3mm, 很多误差能被平均掉。

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