一
月亮的奥秘

日全食是我们在地球上所能看到的最旖旎壮观的天文景象之一。它之所以壮观，是因为此时的月球和太阳在我们眼中看起来一样大，也正因为一样大，月球从太阳前面经过时，可以完全覆盖太阳盘面，令太阳瞬间光芒尽失，只留下外缘的日冕发出银白的光晕。但是，为什么我们如此幸运，能看到此等天文奇观？为什么我们与月球之间的距离如此恰到好处，正好看见月球与太阳一般大，看见它将太阳完全挡住，产生了日全食？这些问题越想就越觉得匪夷所思，因为巧合这东西毫无逻辑可言，也不是你想求就求得来的。在这个罕见的天文时刻，月球然走到完美的点位，上演一出日全食的大戏；这时，人类文明出现了，不早不晚，恰逢其时，这出戏从此有了观众。在最初的地质年代，月球离地球很近，近到它看上去比太阳还要大，连日冕的“风华”也被它盖过；在遥远的未来，月球将离地球很远，远到它看上去无比渺小，凌到太阳表面时，只看得到一个小黑点。虽然这听上去很不现实，但是我们的确是在对的时间，出现在对的地点，撞见这惊心动魄的一幕。这一切，皆缘于一个“巧”字。

归根结底，地球上的生物能够有幸看到日全食，还是因为月球本身够大。月球是从地球“母亲”身上剜出去的“亲骨肉”，至今仍是太阳系中已知最大的卫星。鉴于双行星的形成机制，许多天文学家甚至认为月球应该与地球平起平坐，和地球并为一个双行星系统，而不是被视为地球的卫星。

太阳和太阳系孕育于“云团”之中。太空中存在许多原始气体和尘埃云，在自身引力作用下坍缩成圆盘，大部分物质汇集形成了圆盘的核心（太阳），其他尘埃和冰粒遗留在圆盘中，不断碰撞合并，因引力而逐步汇集成越来越大的颗粒，最终形成行星，没用完的材料则“抱团”组成了更小的天体，比如小行星和彗星。到了行星形成后期，太阳系开始变得没那么和睦了。原行星绕太阳运行的轨道上充斥着无数瓦砾碎石，在“逐日”的道路上，它们要勇敢地“冲锋陷阵”，扫清轨道上的各路障碍，同时承受它们的轰炸。想知道当时轰炸的场面有多惨烈，只要看一眼坑坑洼洼的月亮表面，你心里就大致有数了，只不过月球在太阳系行星大体成形以后才诞生，没赶上最“兵荒马乱”的年代，无法完全体现当时的惨烈程度。

除了地球以外，太阳系中还有其他行星，如火星、木星、土星，它们也都有围绕其旋转的卫星。与月球相比，它们的身世可就简单多了。火星在形成过程中，显然留下了一些小碎片，它们后来形成了小行星，并被火星捕获。木星和土星是比火星大得多的巨行星，它们的卫星也比火星的大得多。巨行星往往有多个卫星，组成一个壮观的卫星系统。就像行星绕着太阳转一样，卫星系统也绕着巨行星转，在局部“拉帮结派”，形成一个“小太阳系”。

和别的卫星比起来，月球是一个另类：它的直径是地球的四分之一，不像其他卫星与其行星相差那么悬殊，而且它“出生”的方式很独特，明显跟“别人”不一样。关于月球的身世之谜，目前最合理的解释是，地球在形成后的几百万年内，曾与另一颗火星大小的年轻行星相撞，这一次猛烈撞击产生的热量，熔化了原地球才刚形成的地壳，摧毁了来势汹汹的入侵行星。入侵行星的重金属核心与地核融为一体，逐渐凝聚成一个核心密度大、地壳极薄的新星体。新星体地壳之所以薄，是因为原地球与入侵者相撞（天文学家形象地将其称为“大冲撞”）导致双方星体表面熔化，熔化后混合在一起的熔融物在碰撞冲击下向外飞溅，有些完全逃逸到宇宙空间，有些停留在地球周围，形成一个环带，从中孕育出月球。至于这个过程花了多长时间，我们只要借助计算机，就能很快算出来。模拟结果告诉我们，撞击之后一个月内就能形成类似于月球的天体。通过测定月岩样本，我们推算出这场惊天动地的碰撞发生在大约44亿年前，它不仅孕育了月球，还导致地轴严重倾斜，地球飞速自转，四季因此形成。

所有这一切赋予了地球许多独特之处。金星位于地球与太阳之间，大小跟地球差不多，但是外壳很厚，金属内核很小，磁场弱到可以忽略不计，自转一圈243天。地球外壳薄，内核大，磁场强，自转周期相对较短，还有一个很大的卫星，这些特征组合在一起，形成了一个得天独厚的完美星球，完美得像一场“阴谋”。我们的星球是太阳系中的异类，由一连串极不可能的巧合堆砌在一起，这些巧合全都跟月球有着千丝万缕的关系，对地球的各方面产生着深远影响。

以地壳的厚度为例，你可能觉得它没什么，但它其实用处很大。地球的外壳薄到可以像蛋壳一样裂成许多碎块，并在液体层（上地幔）对流的带动下漂移，这个过程就是板块构造学说里的板块移动。因为薄，地壳碎块（板块）的边缘经常有火山喷发，将二氧化碳、水蒸气等气体释放到大气中。地壳开裂的地方通常位于海底，那里不断有岩浆上升并凝结，顺着裂缝往两边扩散，将老地壳推开，形成新地壳。尽管如此，地壳并未无限地扩张变大，因为在世界的其他角落，尤其在大陆边缘，地壳俯冲，将水分子和碳酸盐岩带回地球深部，重熔再生形成岩浆，借火山喷发再次进入大气，周而复始，循环往复。

然而，循环的周期并不是固定的。从空气中吸收二氧化碳等气体的过程被称为风化作用，比如二氧化碳溶解于水，与岩石中的矿物质发生反应，生成碳酸钙（石灰岩）。我们都知道，大气中的二氧化碳是一种温室气体，它会吸收热量，使其无法向外层空间发散，导致地球表面变暖。巧的是，气候变暖会加快风化作用，消耗更多二氧化碳，从而给地球降温；地球一凉下来，风化作用随之转弱，空气中的二氧化碳越积越多，温度便又上去了；温度一上去，风化作用跟着变强，二氧化碳也消耗得更多。多亏了板块构造带来的“负反馈”，地表温度能够维持在一个适合液态水长期存在的范围（不幸的是，板块构造运动太缓慢，无法迅速抵消人类活动排放的二氧化碳，将我们从自己造的孽中解救出来）。要不是那场撞击将地球“剥一层皮”，孕育了月球，削薄了地壳，给了它得天独厚的板块构造，地球可能会跟我们的邻居金星一样，变成一个炙热而死寂的沙漠，大气中全是二氧化碳。

我们要感激月球的不光这一条。通过分析在地球内部传播的地震波，我们能够算出地球的固态内核有多大——它以铁、镍为主，直径约为2400千米，顶部与地表的距离为5200千米，外面被大约2500千米厚的液态外核包围着，这个厚度几乎是内核顶部与地表距离的一半。内外核共同构成了占地球质量三分之一的地核，其中有一部分来自月球这个“父亲”。地球上的所有生命（包括人类在内）能够偏安于太阳系一隅，都要感谢那一层外核。它由液态铁、镍组成，温度约为5000°C，只比太阳表面的温度低一点。它能维持这么高的温度，靠的是放射性元素衰变产生的热量，如太阳系形成期遗留下来的钍、铀元素。外核液态金属不断流动产生电流，再加上地球自转形成旋涡，最终产生了地球磁场。

地球的磁场实际上是一个力场，保护我们的星球免受来自太空的伤害。太阳会喷发大量带电粒子，吹向整个太阳系空间，刮过地球和其他行星。这些带电粒子流有一个很直白的名字——“太阳风”（solar wind），它们大多数时候以几百千米每秒的速度运动，到了被称为“太阳风暴”（solar storm）的爆发期，速度可高达1500千米每秒。太阳宇宙射线[1]本质上跟核爆炸产生的粒子辐射是一样的，如果不是被地球磁场屏蔽在外，它们早就吹走地球最外面的大气层，直达地表，严重威胁到地球上的生命，陆地生物可能因此全部消失。

地球周围受磁场保护的区域被称为“磁层”，它对应的英文名是“magnetosphere”，直译过来就是“磁球”，这么叫其实不太恰当，因为向着太阳这一面的磁场被强劲的太阳风压得扁扁的，背对太阳那一面的磁场却不受压迫，自由自在地向着远处的空间延伸，犹如拖着一条长长的尾巴，因此它实际上不是球形的，而是状似一只蝌蚪。向着太阳的这一面，地球磁场与太阳风之间的边界线（地球这艘“太空船”的船身）距离地表64000千米。背对太阳的那一面，边界线几乎延伸至月球。有一些太阳高能粒子会“钻空子”，从南北磁极处混入高层大气。大多数时候，它们只会激发绚丽的极光，不足为虑，碰上太阳风暴期却会威力大增，影响高纬度地区一切用电的东西。它们扰乱无线通信，袭击电力系统，导致加拿大等地断电。但是，如果某天磁层突然失效，全世界都会遭殃，不光高纬度地区。

有大量地质学证据表明，过去地磁场曾突然消失又恢复（这里说的“突然”参照的是地质学的时间尺度），恢复后要么维持原磁极不变，要么南、北磁极反转，后者值得引起警惕。某些经火山喷发后冷却凝固的古老岩石记录了地磁场的演化历史，给后人留下了重要的证据。在冷却凝固的过程中，有些岩石受到地磁场的磁化，拥有像磁铁一样的磁性，其磁场方向和成岩时的地磁场方向一致，其中一部分磁性稳定的岩石，经过漫长的地质时期，完整地保留了这种记录。科学家可以借助各种测定成岩年代的方法或工具，绘制出地磁场逐渐变弱直至消失的时间线。通过对生物化石的研究，我们发现当地磁场变弱时，许多陆栖动物随之灭绝，海洋里的生物却不受影响。对此，人们自然而然地会想到，磁层屏障作用减弱，导致太阳辐射增强，陆地生物因暴露在致命的“炙烤”中而灭绝，然而海洋生物活在海水里，比陆地生物多了一层防护，因此逃过一劫。即使这种假设是错的，也改变不了磁场变弱会导致动物种灭绝的结论。一个不太妙的消息是，最近几十年来，地磁场出现减弱的趋势，速度基本在每100年减弱5%至每10年减弱5%之间。按照这个速度，地球磁场可能在200～2000年这一时间段彻底消失。

月球的直径为地球的四分之一，质量却只有地球的八十分之一，原因之一是在那次大撞击中，质量大的重元素沉入地核，质量小的碎片则飞溅到太空中形成了月球。不过，如果不看绝对质量，只看卫星与行星的质量之比，月球算是整个太阳系里最大的卫星[2]。自大撞击以来，月球的引力一直影响着地球的构造。今天，人们看到的最明显的影响来自潮汐力。不过，月球现在对地球的牵引已经小了很多。与遥远的过去相比，今天的潮汐涨落只相当于那时大海里的小涟漪。

今天，月球与地球之间的距离超过了384000千米。计算机模拟结果显示，月球刚形成时，与地球只隔了25000千米。那时，它不仅能让大海出现剧烈的潮汐起伏，还能拉扯地球上的固态物体，从地表往下1000米的岩石层都逃不过它周期性的拉拽与压迫。起初，月球引力拉扯产生的热量使地球上的岩石在大撞击后长期处于熔融的状态，汇聚成一片“火海”，随着潮汐一同涨落。这个过程用到的能量来自月球的轨道能量，随着轨道能量逐渐丢失，月球对地球的牵引变弱，并逐渐远离地球，潮汐的幅度变得越来越小，越来越温和。大撞击过去约100万年后，地球终于形成了坚硬的地壳。

由于这次撞击，初始时（月球的幼年期）地球自转很快，一天只有5小时左右。今天，地球上的海水每天有规律地升落2次，掀起的潮水约1米高，一次潮汐涨落的时间大致是半天，具体受当地海岸线的地形影响，但是在月球形成之初（距离撞击约100万年后），地球每2.5小时就会涨一次潮，浪高数千米。约5亿年前，海洋中的生物开始爬上陆地。4亿年前，地球的一年有400天，这两个数字巧得令人难忘。当时，地球自转的速度比今天快10%，一天仅21个多小时。然而，在月球形成后的几十亿年里，有一样东西一直不曾变过，那就是地轴的倾斜角，这依旧与月球有着千丝万缕的联系。

玩过陀螺的人都知道，一个倾斜的物体在围绕中心轴旋转时，偶尔会发生摇晃，或者摆动（wobble）。地球摆动的形式不止一种。前面提到过，一个火星大小的行星曾狠狠地撞上地球，不仅将它给撞歪了，还撞飞了一些岩石，那些岩石后来形成了月球。地球被撞歪以后，地轴与公转轨道平面[3]的垂线形成约23.4°的夹角，并且全年朝同一个方向倾斜。当它绕着太阳公转时，它倾斜的方向有时正好对着太阳，有时又不对着太阳，但这不是真正意义上的“摆动”，如果你想象地球一直不动，是太阳在绕着地球转，你就能理解我为什么这么说。地轴倾斜是四季形成的原因——当某个半球离太阳最近时，那里是夏天，另一半球是冬天；当它离太阳最远时，那里是冬天，另一半球是夏天。

我之所以克制地说地球“全年”朝同一个方向倾斜，而不说它“几百万年来”始终如此，是因为它每隔几万年就会出现轻微的摆动。这才是真正意义上的摆动，对地球生物有着不可思议的影响，我们会在《奇观·八》中详细介绍。在这里，我更好奇的是，为什么地球摆动的幅度这么小？因为月球对地球起到了稳定作用，用自身引力约束地球的摇晃幅度。太阳系里的行星（和卫星）之间都通过引力相互拉扯，随着行星在轨道上移动，引力拉扯的强弱也会发生变化，小一点的行星（如地球和火星）极易受更大天体（如太阳和木星）的束缚。如果太阳系里围着太阳转的只有地球和火星，那么它们会一直“忠贞不贰”地围着它转下去，不会“摇摆不定”。然而事与愿违，太阳系里还有一个巨大的木星，它与太阳之间存在着引力拉锯，即使这种拉锯幅度很小，也可能通过一种被称为“混沌”（chaos）的现象诱发剧烈的摇摆。关于混沌理论，我将在《奇观·六》中予以介绍。

火星没有相对较大的卫星做它的“稳定器”。计算机模拟结果显示，它有时会一下子突然倾斜到45°（这里的“一下子”在地球上大约是10万年的时间），有时会慢悠悠地倾斜到60°。今天，很多太空轨道探测器已经将火星表面的特征研究得一清二楚，我们就算不借助计算机模拟，也能通过天文观测结果知道，火星自转轴倾斜角曾有过很大的变化。有了来自火星的观测数据证明计算火星倾斜的模型是对的，我们对类似的地球模型也更有信心。那些模型告诉我们，如果没有月球，地轴倾斜角会在10万年的时间里从0°变成90°，引起气候的巨大变迁。当一个极点指向太阳，该极点所在的半球将持续处于炎热难耐的白昼，另一半球则处于天寒地冻的黑夜。6个月后，风水轮流转，白天与黑夜将颠倒，曾经太阳永不落下的热带，将处于冰雪永不消融的黑夜。但是，多亏了月球的稳定作用，自陆地上出现生命以来（有化石为证），甚至从更遥远的过去算起（根据计算机模型推测），这种极端的气候从未发生过。

当然，天下没有长久的好事。月球“维稳”已经超过40亿年了，现在它正步履坚定地远离地球，以约4厘米每年的速度向外移动，对地球施加的稳定作用也随之减弱。我们用计算机模拟推导出，从现在算起，大约20亿年后，月球的引力将再也无法与木星抗衡，届时地球的倾斜角将剧烈摆动，这就回到了我开篇时提到的《奇观》——太阳比月球大400倍，太阳与地球的距离也比月球与地球的距离大400倍，一切巧得像个“阴谋”。

很久以前，在恐龙生活的年代，月球看上去远比现在大得多，到了日全食时分，它能够很轻松地完全挡住太阳。那时，人类还没有出现，因此无人注意到天边那一轮比太阳还要大的月亮。等到离现在不算太遥远的未来（那时地轴仍较为稳定，还未因木星的引力而剧烈摆动），在日全食期间，月球边缘将套上一圈清晰可见的光环。那时，人类也许已经灭绝了，也许还存在着，还能见证那美丽的景象。不可思议的是，在漫长的地质岁月中，我们不早不晚，恰好在这最美好的时刻出现，看见了全宇宙最精彩绝伦的风景。更为不可思议的是，地球上能够有生命存在，正是托了月球的福。若不是它给了地球稳定的力量，我们就不可能坐在这儿看风景。这些巧合发生的概率几乎为零，但是并非完全不可能，因为它确实已经发生了。