月球为什么离地球越来越远？

月球正在远离地球：月球激光测距

月球每年远离地球约3.8厘米。我们之所以知道这一点，是因为从地球发射的激光会被留在月球上的反射镜反射回来，而光的往返时间可以精确计时。这叫作月球激光测距。2025年3月，一面新反射镜着陆后的第二天，法国的一座观测站就测量了到它的距离，统计不确定度不到1毫米。

两千多年前，巴比伦的天文学家记录了一次日全食。如果地球的计时完美无误，每天恰好86,400秒，那次日食本应在往西约50个经度的地方被看到。一块泥板和一束激光，从历史的两端测量着同一种缓慢的变化。再把化石、古老岩石和海洋卫星的数据结合起来，就能得到一个大多数解释都遗漏的故事。

月球并不是以恒定的速度远去。眼下，它远离的速度比过去几亿年中的大部分时间都快，原因在于我们海洋的形状。

看似在加速的月球

第一条线索出现在一个意想不到的地方。1695年，埃德蒙·哈雷发表了一篇关于帕尔米拉遗址的论文，那是叙利亚沙漠中的一座古城。在文末，他请旅行者在巴格达、阿勒颇和亚历山大港观测月食，以确定这些城市的确切位置。他写道，有了这些，他就能算出月球的运动加速得有多快。

把古代月食记录与现代记录相比，月球似乎在轨道上一个世纪接一个世纪地越走越超前。18世纪80年代，皮埃尔-西蒙·拉普拉斯找到了一个看似答案的解释。地球绕太阳的轨道形状在缓慢变化，这会改变太阳拉扯月球的力度。这个解释维持了大约70年。

后来在1853年，曾预测海王星位置的天文学家约翰·库奇·亚当斯重新做了计算。他发现了一个错误，拉普拉斯效应缩小到只有观测值的一半左右。月球表观加速的一半，找不到解释。19世纪60年代，巴黎的夏尔-欧仁·德洛奈和美国的威廉·费雷尔提出了一种解释。

也许月球其实并没有加速。也许是我们的时钟在变慢。这个时钟就是地球本身，而潮汐正在给它的自转踩刹车。如果每一天都比前一天长一点，那么任何以天为单位测量的东西，看起来都会走得太快。

1939年，英国皇家天文学家哈罗德·斯潘塞·琼斯汇总了证据，证明月球、太阳、水星和金星全都一起偏离了预定时刻。四个轨道各不相同的天体，不可能碰巧同步偏离。问题出在计时器上：地球的自转并不是一座完美的时钟。

越来越长的一天

那么，一天究竟变长了多少？2016年，理查德·斯蒂芬森领导的团队整合了近三千年的观测记录。他们使用了巴比伦、中国、古希腊和中世纪阿拉伯世界的日食记录，最早可追溯到公元前720年，还有约50万次月球掩星的计时记录。那些巴比伦泥板原来是精密的仪器。

日全食只能在一条狭窄的阴影带内看到，所以仅凭一行记载太阳变暗的文字，就能确定地球当时转了多少。他们的结果是：平均而言，一天每世纪变长约1.8毫秒。这听起来微不足道，但会不断累积。到公元前700年前后，地球自转与一座完全稳定的时钟之间的差距约为五个半小时。

这里有个细节，后面会很重要。仅按今天测得的潮汐摩擦，一天本应每世纪变长约2.3毫秒。有别的东西一直在让地球稍微转快一些。部分原因是上一个冰期的结束。

巨大的冰盖融化后，下面的陆地开始缓慢回升，地球变得稍微不那么扁，于是像收拢双臂的滑冰者一样，转得快了一点。另一部分似乎来自地球深处，地核与地幔在那里相互作用。

闰秒的终结

一天在变长，正是闰秒存在的原因。官方的秒按照天文时间来校准，其方式大致对应1820年前后一天的长度。到2008年前后，平均一天比那时长约2.5毫秒。一年下来，累计约为1秒。

因此自1972年以来，世界各地的时钟共加入了27个闰秒，全都是增加的秒，最后一次在2016年底。但在过去几年里，地球又转得快了一些。有一项分析把这与液态外核联系起来：外核一直在减速，并把它的自转传给地球的其余部分。这带来了一个前所未有的可能：负闰秒，也就是减去一秒。

格陵兰和南极的冰融化，把这个时间点往后推了。如今的融水向赤道扩散，使地球变慢，2024年的一项研究估计，这让需要负闰秒的时间推迟了约三年，到2029年。2026年10月，国际计量大会决定，从2027年5月起，全球时钟将不再使用闰秒，允许原子时与地球自转之间最多相差一小时。潮汐决定长期趋势，而地核和融冰则让它在几十年的尺度上起伏。

月面上的反射镜

最初的尝试瞄准的是光秃秃的月面。1962年，麻省理工学院的研究人员向裸露的月球表面发射脉冲激光，捕捉到了微弱的回波。一年后，苏联科学家瞄准一座环形山做了同样的事，但他们测得的距离误差仍超过100公里。他们需要一个更好的目标。

1969年7月21日，阿波罗11号的宇航员在月球上安放了一块由100个小玻璃角锥棱镜组成的面板。在有效角度范围内，角锥棱镜会把光直接送回它来的方向。11天后的8月1日，加州利克天文台的团队用红宝石激光击中了它，并测出了回波的时间。光往返一趟大约需要两秒半。

阿波罗14号带去了第二块面板，阿波罗15号带去了一块装有300个棱镜的更大面板，苏联的两辆月球车，月球车1号和2号，则搭载了法国制造的反射镜。五十多年来，美国、法国、意大利、德国和中国的观测站一直在测量这五面反射镜。

捕捉单个光子

击中月球上的反射镜并不是难点。难的是把光收回来。一个激光脉冲大约携带30亿亿个光子。光束到达月球时已扩散到约2公里宽，因此只有极小一部分落在反射镜上。

返回的光又会在地球上扩散到好几公里。发出的光子中，只有大约百亿亿分之一能回到望远镜里。在由名为APOLLO的项目运行的新墨西哥州阿帕奇点观测站，最好的一次观测每个脉冲约收到3个光子。在大多数夜晚、大多数观测站，收到的要少得多。

每个返回的光子到达时间都能测定到约百亿分之一秒以内。1毫米的距离，相当于约万亿分之七秒的往返时间。因此，要把几分钟内收集的数千个光子合并成一次测量。大气会增加约2米的延迟，太阳引力还会再增加一些，两者都必须校正。

反射镜也在老化。它们的信号比应有的弱约十倍，似乎是因为月尘覆盖了大约一半的表面。在满月前后，月尘吸收阳光，使玻璃受热不均，信号会再下降约十倍。月食期间，反射镜落入阴影中，信号会在约15分钟内恢复。

失踪的反射镜

有一面反射镜失踪了将近40年。月球车1号于1970年着陆，苏联科学家曾短暂地对它测距，直到1971年与它失去联系。它的确切位置从未广泛公开，此后再也没人找到它。2010年3月，NASA的月球勘测轨道飞行器拍到了这辆月球车。

一个月后的4月22日，阿帕奇点团队瞄准新坐标，第一次尝试就收到了约2000个光子。这辆月球车距离人们原先以为的位置约5公里。2025年3月，一个名为蓝色幽灵的商业着陆器放置了一面由马里兰大学设计的新反射镜。它用一个大棱镜代替由许多小棱镜组成的面板，所以即使月球倾斜，回波也能保持清晰。

开头提到的法国观测站，在着陆第二天测量的正是这面反射镜。从1963年的100公里以上的不确定度，到如今不到1毫米的初步统计不确定度。同样的数据还能检验其他假说。如果引力本身的强度在缓慢变化，单凭这一点就可能让月球轨道变大。

激光测距把这种变化限制在每年不到万亿分之一。这最多只能解释月球后退的约1%。测得的月球漂移，与卫星绘制的海洋潮汐图所预测的相符。目前最精确的数值是每年38.3毫米。

自1969年阿波罗11号留下反射镜以来，月球已经远离了约2米。

并不存在的潮汐隆起

那么，潮汐是怎样把月球推远的？常见的示意图中，月球把地球的海洋拉成两个隆起，一个朝向月球，一个在背面。地球自转比月球公转快，所以自转会把隆起带到稍微领先月球的位置。领先于月球的隆起沿轨道向前拉月球，这额外的拉力把它抬升到更大的轨道上。

与此同时，月球向后拉扯隆起，使地球自转变慢。角动量从地球自转转移到月球公转，而总量保持不变。这个解释得出的结果没错，但那幅图却有误导性。真实的海洋并没有两个隆起。

要跟上月球，赤道处的隆起必须以每秒约450米的速度绕地球移动。潮汐以一种极长的波传播，在4公里深的海洋里，这种波每秒只能传播约200米。海水跟不上。实际上，潮汐在各个洋盆内形成复杂的波动图案，常常绕着一些水位几乎不升不降的点旋转。

月球并不会逐一感受这些波。它感受到的是这些波在整个地球上平均后的合力。这个合力就是等效的潮汐隆起，它位于略微领先月球的地方。由于它由真实洋盆中的真实波动构成，所以取决于海洋的大小和形状。

改变海岸线，就改变了刹车。

能量去了哪里

让一颗行星减速，会释放出大量能量。根据激光测量结果可以算出，月球引起的潮汐从地球自转中夺走约3.3太瓦的能量。其中只有约0.12太瓦，大约4%，最终用于把月球抬升到更高的轨道。其余的都变成了湍流和热量。

再加上太阳引起的较小潮汐，地球因潮汐摩擦损失约3.7太瓦。海洋学家沃尔特·芒克和卡尔·温施把它与当时全世界的总发电装机容量相比较。这些能量几乎全部消散在海洋中，只有一小部分消耗在地球的固体岩石里。所以，月球远去只是一个副作用。

潮汐从地球自转中夺走的能量，大部分都花在了搅动海水上。

消失的1太瓦

在20世纪的大部分时间里，科学家以为自己知道这发生在哪里。1919年，物理学家G. I. 泰勒估算了爱尔兰海的潮汐摩擦，从此人们普遍认为潮汐是在浅海海底的摩擦中损失能量的。但把数字加起来后，却不够。仅月球的主要潮汐，就应损失约2.4太瓦。

浅海似乎无法解释全部损失。答案来自太空。TOPEX/Poseidon卫星多年来测量全球海面高度，精度足以绘制潮汐图。2000年，加里·埃格伯特和理查德·雷用这些数据证明，浅海只消耗了月球主要潮汐约1.6到1.8太瓦的能量，并指出了其余能量的去向。

把所有潮汐算在一起，约有1太瓦消耗在深海中的洋中脊、海山和岛链上方。当潮汐流过崎岖的海底时，会在海洋内部较冷和较暖的水层之间激发波动，这些波破碎后会混合深层海水。这种混合很重要。在极地附近下沉的冷水不断流入深海，如果没有上方的暖水混合下来，深海会在几千年内被这些冷水填满。

维持这种混合需要约2太瓦，研究人员估计潮汐可以提供其中约一半。浅海依然重要。潮汐能量损失最多的地方包括哈德孙湾、欧洲陆架海、澳大利亚西北部、巴塔哥尼亚陆架，以及黄海和东海。把月球推远的摩擦、日长的增加和深海的混合，都是同一股能量流的组成部分。

刻在石头里的日历

如果潮汐几十亿年来一直在让地球减速，那么古代的一天应该更短。1963年，古生物学家约翰·韦尔斯研究了珊瑚化石。有些珊瑚每天会长出一道细细的生长纹，这些纹路又聚成一年一圈的条带。在现生珊瑚上，他在一年的生长中数出约360道纹，接近一年的天数。

在约3.8亿年前泥盆纪的珊瑚上，他数出385到410道，通常约为400道。一年本身，也就是地球绕太阳一圈的时间，其实没有什么变化。所以如果一年约有400天，那么每一天就更短，接近22小时。2020年，一个团队研究了一枚厚壳蛤的化石外壳，这是一种已灭绝的蛤类，约7000万年前生活在今天的阿曼一带。

他们用激光逐层取样分析外壳，发现一年有372个日生长层，这意味着一天约23个半小时。潮汐也会留下记录。在南澳大利亚，约6.2亿年前的岩石保存了在一处受遮蔽的潮汐三角洲中由潮汐沉积的层理。新月和满月前后的大潮留下厚层，其间的小潮留下薄层，连续记录了约60年的潮汐。

地质学家乔治·威廉斯根据这些层理算出，当时一年约有13个月、400天，一天约22小时。但化石和潮汐层很难精确解读。生长纹可能缺失，同一块岩石也可能有不止一种数法。另一个分析这些南澳大利亚岩层的团队，得出的月地距离明显不同。

方向是明确的，但数字需要一把更好的尺子。

气候节律中的月球

这把尺子原来是气候。地球的自转轴像陀螺一样缓慢摆动，这种摆动使季节发生偏移，目前一个周期约需2万年。随着气候在湿润与干燥、温暖与凉爽之间摆荡，这些周期在沉积物中留下了条纹。这种摆动是太阳和月球拉扯地球赤道处的隆起造成的。

当月球更近、地球转得更快时，摆动更快，条纹也排得更密。另一个周期目前长约40.5万年，主要由金星和木星决定，在假设它在那么久远的过去依然稳定的前提下，它可以充当比例尺。2018年，斯蒂芬·迈耶斯和阿尔贝托·马利内尔诺把这一方法应用于中国北方约14亿年前的岩石。在那里，摆动造成的气候周期只有约1.2万到1.4万年。

由此推算，当时月地距离约34.1万公里，一天约18小时40分钟。2022年，玛格丽特·兰廷克领导的团队追溯得更远，研究了西澳大利亚形成于24.6亿年前的富铁岩石。那时，月球距离地球约32.18万公里，一天约17小时。月球的距离，就写在远古气候的节律里。

15亿年难题

而这些岩石揭示了一个困扰科学家几十年的问题。按照今天每年3.8厘米的速度，月球要从紧挨着地球的位置漂移到如今的距离，大约需要100亿年。这听起来时间很充裕。但月球越近，潮汐力就强得多。

如果考虑到这一点，把今天的潮汐摩擦倒推回去，月球在仅约15亿年前就几乎贴着地球了。可月球的年龄大约是45亿年，而且30多亿年前的岩石就已显示出潮汐的痕迹。所以在地球历史的大部分时间里，月球远离的速度一定比现在慢。西澳大利亚的岩石也支持这一点。

要在24.6亿年内从32.18万公里移动到今天的距离，月球平均每年只需远离约2.5厘米。那为什么今天会快这么多？

海洋的节律

想象一个荡秋千的孩子。随便乱推，效果不大。顺着秋千的节奏推，每一下都会叠加起来。水体也有自己的固有节律。

水会在一个洋盆里来回晃荡，节奏由洋盆的大小和深度决定。在加拿大的芬迪湾及其旁边的缅因湾，这种固有节律约为13小时，接近略长于12小时的月球潮汐节律。所以那里的潮汐会不断放大，高潮与低潮的落差可达约16米。同样的事情也会发生在整个大洋的尺度上。

今天的大西洋接近共振：它的固有节律几乎与每天两次的潮汐同步。洋盆随着大陆漂移而开合，对今天的海洋可能如何改变形状所做的潮汐模拟表明，一个不断扩张的大洋在约1.4亿到1.8亿岁时会接近这种共振。这大致就是今天大西洋的年龄。同一批研究人员估计，这种强潮期在每个超大陆旋回中会出现1到5次，每次持续不超过约2000万年。

按他们的粗略估计，这些时期加起来约占地球历史的9%。我们恰好生活在其中之一。

一阵阵远离的月球

2022年，巴黎一个由穆罕默德·法尔哈特和雅克·拉斯卡尔领导的团队，建立了一个描述地球潮汐随时间演变的物理模型。他们只调整了模型的两个参数，以匹配今天测得的后退速度和月球的年龄。模型并没有按任何古代岩石数据来调整。然而它的预测与14亿年前和24.6亿年前的岩石测量结果非常吻合。

在这个模型中，月球并不是平稳地后退。大部分时间里，海洋远离共振，月球缓慢地向外挪动。每隔一段时间，随着潮汐和海洋响应的变化，系统会经过一次共振，刹车猛然收紧，月球被迅速推远。该模型发现，仅在过去7亿年里就有两次这样的时期。

所以说月球正以前所未有的速度远去，是不对的。以前也出现过这样的爆发期，而且月球刚形成时，远离的速度要快得多。但与它历史的大部分时间相比，今天的速度异常地高。

冰期与融冰

如果海洋的形状重要，那么深度也同样重要。在上一个冰期，大量的水被锁在冰里，海平面比现在低约100米。宽阔的浅海陆架干涸，大西洋的潮汐变得大得多。一个针对月球主要潮汐的模型发现，潮汐能量损失增加了约一半，而在深海中几乎增加到三倍。

冰期时，月球被推远的速度可能比今天更快。今天，融化的冰又在改变海洋。一项研究估计，自1900年以来，海平面和海水分层的变化使月球的后退速度每年增加了约1毫米。这个数字来自模型和历史记录，而不是直接来自激光数据。

而且这与推迟闰秒的那种效应不同。流向赤道的水会让一天变长，却不会把任何东西传给月球。在那项估计中，是潮汐摩擦的变化给了月球额外的推力。

一天曾停在19小时吗？

这段历史并非全都有定论。2023年，两个研究团队提出，从约20亿年前开始的十多亿年里，一天不再变长，而是维持在19小时左右。他们的解释是第二种潮汐：大气潮。阳光每天加热大气，这种加热在大气中掀起潮汐，把地球的自转稍微向前推。

如果大气在合适的时机发生共振，这股推力就可能抵消月球的刹车。其中一个团队计算出，如果没有那段停滞期，今天的一天会超过65小时。但他们的模型需要约40到55摄氏度的平均地表温度，作者们自己也称其高得令人不安。包括巴黎团队在内的其他研究人员并不认同。

他们认为，停滞的说法依赖于陈旧且不可靠的化石数据，而他们自己的大气潮模型显示，在与今天相近的温度下，共振出现得晚得多，而且太弱。最直接的检验，是从10亿到20亿年前的岩石中找到更多气候节律。目前，这仍是一个悬而未决的问题。

拳头大的月球

让我们回到起点。关于月球起源，最主流的解释是大碰撞。在地球历史早期，一个可能有火星大小的天体撞上了年轻的地球，被抛入轨道的碎片聚合成了月球。模拟表明，这些碎片在不到一年内就聚合成月球，位置距地心只有约3到5个地球半径。

今天，月球距离地球约60个地球半径。在那样的距离上，年轻的月球看起来会比现在宽约16到37倍。伸直手臂看，它大约有一两个拳头那么宽。如果把地月系统所有的转动都还给地球，一天将只有约4小时，有些模型甚至认为年轻的地球转得更快。

从那以后，潮汐摩擦一直在把转动从地球转移给月球，而如今这主要通过海洋进行。

最后一次日全食

接下来会怎样？如果月球一直以今天的速度远离，它最终看起来会太小，无法完全遮住太阳。天文学家让·米斯有一个著名的估计：日全食将在约6.2亿年后开始消失，并在约12亿年后彻底终结。这些时间取决于月球实际移动的速度，而大西洋也不会永远处于共振状态。

月球还能稳定地球的倾角。计算表明，随着月球后退、地球变慢，地球的倾角可能会在距今15亿到45亿年之间的某个时候变得不稳定。教科书里还描述了一个终点。如果没有其他因素介入，地球会一直减速，直到一天与月球的公转周期相同，约为今天的47天，那时月球距离约55万公里。

月球不会离我们而去，因为那个距离仍然远在地球引力能够束缚它的范围之内。但地球很可能走不到那一步。太阳正在缓慢变亮，大约每1.1亿年增亮1%。大约10亿年后，预计它会亮到让海洋开始蒸发。

而地球自转的刹车，大部分来自海洋。没有了海洋，月球的后退很可能会大幅放缓。日全食的终结和海洋消失的开端，或许都会在大约10亿年后到来。

测量仍在继续

2026年4月，阿尔忒弥斯2号的四名宇航员绕月飞行，成为半个多世纪以来首批前往那里的人类。在月面上，当年阿波罗留下的反射镜仍在使用，未来的着陆器也计划安放新的反射镜。每当观测站在夜里从月球收回几个光子，就为一份始于巴比伦泥板的记录再添上一笔。月球每年远离地球约3.8厘米。

这个数字来自海洋：它们的大小、深度，以及容纳它们的海岸线的形状。而当大西洋像其他洋盆一样与潮汐失去同步时，这个数字又会改变。