第一個(gè)地外目標(biāo)——月球

　　月亮，是人類(lèi)飛出地球、步入太空的第一個(gè)中途站，是人類(lèi)迄今在地球之外留下足跡的唯一星球。世界上沒(méi)有一個(gè)民族不對(duì)月亮抱有濃厚的感情。歷代詩(shī)人留下無(wú)數(shù)吟哦明月的華美詩(shī)篇，便是最好的佐證。

　　人類(lèi)首先測(cè)出絕對(duì)距離的那個(gè)天體正是月亮。這是很自然的，因?yàn)橛钪嬷性僖矝](méi)有比月球離我們更近的天體了。

　　可是，有什么辦法能夠知道月亮離我們究竟有多遠(yuǎn)呢？用直尺、折尺或卷尺來(lái)量嗎？那當(dāng)然是行不通的。然而，早在2000多年前，就有人想出了一個(gè)相當(dāng)巧妙的辦法。

　　公元前3世紀(jì)之初，在小亞細(xì)亞的薩摩斯島（Samos）上出現(xiàn)了一位最富有創(chuàng)見(jiàn)的古希臘天文學(xué)家，名叫阿里斯塔克（Aristarchus，約公元前310—約前230年）。他是杰出的天文觀測(cè)家，又是一位天才的理論家。人們不知道他的生平，他的大部分著作也已失傳，但是他的《論日月的大小和距離》流傳了下來(lái)。

　　阿里斯塔克在這部著作中首先提出，如果在上弦月的時(shí)候測(cè)定太陽(yáng)和月亮之間的角距離，就可以據(jù)此推算出日月到地球距離的比值（圖８）。阿里斯塔克指出：上弦月的時(shí)候，日、月、地三者應(yīng)該構(gòu)成一個(gè)直角三角形，月亮在直角的頂點(diǎn)上。他根據(jù)觀測(cè)確定，上弦時(shí)太陽(yáng)和月亮在天穹上相距87°，由此可以推算出太陽(yáng)比月亮遠(yuǎn)19倍。雖然這個(gè)結(jié)果比實(shí)際數(shù)值要小20倍左右，但其原理簡(jiǎn)單明了，值得贊賞。這是2000多年前測(cè)定天體距離的第一次大膽嘗試，對(duì)其結(jié)果的稱(chēng)頌也理應(yīng)超過(guò)對(duì)它的責(zé)難。

　　圖8阿里斯塔克測(cè)量日、月到地球距離之比值的方法。

　　圖中S代表太陽(yáng)，E代表地球，M代表月亮

　　阿里斯塔克又想到，由于日全食時(shí)月亮恰好擋滿太陽(yáng)，也就是說(shuō)，它們的視角徑相等，因此太陽(yáng)的線直徑必定也正好就是月亮的19倍。他還觀測(cè)月食時(shí)的地影，計(jì)算出地球的影寬，進(jìn)而推算出月球的直徑是地球的1/3（今天知道實(shí)際是0.27倍）。因此，太陽(yáng)的直徑便是地球的（19×1/3）倍，即6倍有余。而太陽(yáng)的體積則是地球的（19×1/3）3倍，即200多倍。這比實(shí)際情況（太陽(yáng)比地球大130萬(wàn)倍）小了許多，但足以證明地球絕不是宇宙中最大的天體。在阿里斯塔克看來(lái)，小物體應(yīng)該圍繞大物體運(yùn)轉(zhuǎn)，因此太陽(yáng)環(huán)繞地球旋轉(zhuǎn)實(shí)在是太不合乎邏輯了。也許就是這個(gè)原因，使阿里斯塔克天才地提出太陽(yáng)和恒星一樣，都靜止在遠(yuǎn)方，而地球則既在繞軸自轉(zhuǎn)，又環(huán)繞著太陽(yáng)運(yùn)行。同時(shí)他還認(rèn)為，恒星比地球繞太陽(yáng)運(yùn)行的軌道更加遙遠(yuǎn)。當(dāng)時(shí)的學(xué)者不能接受阿里斯塔克的理論，甚至還指控他褻瀆神靈。他關(guān)于這些想法的論著久已失傳，如果不是阿基米德在著作中提到的話，那么它大概早就被人們遺忘了。然而，歷史賦予了他應(yīng)有的地位，他遠(yuǎn)在哥白尼（NicolasCopernicus，1473—1543年）之前17個(gè)世紀(jì)就猜到了日心系統(tǒng)的概況，因此恩格斯熱情地稱(chēng)頌阿里斯塔克為“古代的哥白尼”。

　　阿里斯塔克還想出一個(gè)巧妙的辦法來(lái)測(cè)量地球與月亮的距離，只是直到一個(gè)半世紀(jì)之后伊巴谷（Hipparchus，約公元前190—約前120年）才將它付諸實(shí)踐。

　　古希臘所有的天文學(xué)家中，伊巴谷可以算是最偉大的了。遺憾的是，后人對(duì)他的生平幾乎一無(wú)所知，只知道他出生于尼西亞這個(gè)地方（今土耳其的伊茲尼克），在愛(ài)琴海的羅德島上建立觀象臺(tái)，發(fā)明了許多用肉眼觀測(cè)天象的儀器，后來(lái)這類(lèi)儀器在歐洲沿用了1700年。伊巴谷可能是在羅德島去世的。公元二三世紀(jì)尼西亞的一些硬幣上刻有他的座像，硬幣上的銘文是希臘文ΙΠΠΑΡΧΟΣ，即伊巴谷。可見(jiàn)至少在伊巴谷的家鄉(xiāng)，在幾個(gè)世紀(jì)中他的名聲一直很大。伊巴谷為方位天文學(xué)——也就是天體測(cè)量學(xué)，奠定了穩(wěn)固的基礎(chǔ)。他測(cè)算出一年的長(zhǎng)度是365又1/4天再減去1/300天，這個(gè)數(shù)字與實(shí)際情況只相差6分鐘。他編制了幾個(gè)世紀(jì)內(nèi)日月運(yùn)動(dòng)的精密數(shù)字表，據(jù)此可以推算日月食。他還編出一份包含1000多顆恒星的星表，列出了它們的位置和亮度。伊巴谷是古希臘的一位知識(shí)巨人，西方人尊稱(chēng)他為“天文學(xué)之父”。他留下的大量觀測(cè)資料，為后人的重大發(fā)現(xiàn)創(chuàng)造了條件。可惜，伊巴谷的著述均已失落，人們只是從托勒玫的著作中才了解到他的這些情況。

　　公元前150年前后，伊巴谷將阿里斯塔克提出的測(cè)量月亮距離的設(shè)想付諸實(shí)踐。當(dāng)時(shí)希臘人已經(jīng)意識(shí)到，月食是由于地球處于太陽(yáng)和月亮中間，從而地影投射到月亮上造成的。阿里斯塔克指出，掠過(guò)月面的地影輪廓的彎曲情況應(yīng)該能顯示出地球與月球的相對(duì)大小。根據(jù)這一點(diǎn)，運(yùn)用簡(jiǎn)單的幾何學(xué)原理便可以推算出月亮有多遠(yuǎn)：它與我們的距離是地球直徑的多少倍。伊巴谷做了這一工作，算出月亮和地球的距離幾乎恰好是地球直徑的30倍。倘若采用埃拉托色尼的數(shù)字，取地球直徑為12700千米，那么月地距離就是38萬(wàn)千米有余。今天，我們知道月球繞地球運(yùn)行的軌道是個(gè)橢圓，因此月地距離時(shí)時(shí)都在變化。月球離地球最遠(yuǎn)時(shí)為405500千米，最近時(shí)則為363300千米，由此可知月地之間的平均距離是384400千米，伊巴谷的測(cè)量結(jié)果與此相當(dāng)接近。

　　然而，盡管阿里斯塔克的方法十分巧妙，伊巴谷的觀測(cè)技術(shù)又很高超，但是像他們那樣做還是難以獲得高度精確的結(jié)果。當(dāng)近代天文學(xué)興起之后，人們必然就會(huì)以更先進(jìn)的方法來(lái)重新探討“月亮離我們有多遠(yuǎn)”這個(gè)古老的問(wèn)題。

　　從街燈到天燈

　　月亮，仿佛是一盞不滅的“天燈”。它與我們相隔著遼闊的空間，因此我們無(wú)法拿起尺子直接朝它一路量去，以確定這盞“天燈”的距離。利用月食推算的方法又過(guò)于粗略，天文學(xué)家們必須另找出路。幸好，這倒并不太困難。

　　人們?cè)缇投迷鯓佑?jì)量地面上不能直接到達(dá)的目標(biāo)有多遠(yuǎn)了。比如，在一條滔滔奔騰的大河對(duì)岸有一排街燈，我們既不用渡河，又可以知道這些燈有多遠(yuǎn)。這只要使用簡(jiǎn)單的三角測(cè)量法就行了。

　　例如圖9（甲）中，我們站在A處，要測(cè)量C處這盞燈的距離。那可以這樣做：先在當(dāng)?shù)兀蹐D9（甲）中的A處］立一根標(biāo)桿，再順著河岸向前走一段路，到某一點(diǎn)B停下，再立一根標(biāo)桿。AB的長(zhǎng)度可以用很準(zhǔn)確的尺直接量出，這就是測(cè)量的基線。再用測(cè)角儀器測(cè)出∠CAB和∠CBA的大小。于是，在△ABC中知道了兩個(gè)角和一條邊，就立刻可以推算出［或者，如圖9（乙），用按比例作圖的辦法得出］AC的長(zhǎng)度了。其實(shí)，這種方法在前面介紹實(shí)測(cè)子午線時(shí)已經(jīng)談過(guò)了。

　　圖9測(cè)量大河對(duì)岸街燈的距離：（甲）大河對(duì)岸的街燈，（乙）按

　　比例縮小后作圖

　　運(yùn)用這種方法原則上很簡(jiǎn)單，但要注意基線不能太短。如果圖9中的AC很長(zhǎng)而AB卻很短，那么△ABC就變得非常瘦長(zhǎng)。這樣的圖形按比例縮小后畫(huà)到紙上就很難畫(huà)準(zhǔn)，因此測(cè)量的準(zhǔn)確程度就會(huì)降低。同樣，即使不用作圖法，兩個(gè)角度只要測(cè)得稍許有些偏差，計(jì)算結(jié)果就會(huì)有很大的誤差。

　　測(cè)量“天燈”的方法，其實(shí)也一樣。我們只要在地面上選定一條很長(zhǎng)的基線，量出它的長(zhǎng)度，并在它的兩端插上標(biāo)桿，然后用“天燈”作為目標(biāo)代替上面的街燈，再按同樣的辦法測(cè)出兩個(gè)角度，就可以得到這盞“天燈”的距離了。

　　歷史上，人們正是這樣做的。首先用三角法測(cè)定月球距離的，是法國(guó)天文學(xué)家拉卡伊（NicolasLouisdeLacaille，1713—1762年）和他的學(xué)生拉朗德（Joseph-Jér?meLeFran?aisdeLalande，1732—1807年）。拉卡伊年輕時(shí)曾打算做一名羅馬天主教教士，因而鉆研神學(xué)。不過(guò)，他對(duì)數(shù)學(xué)和天文學(xué)的興趣又超過(guò)了神學(xué)，最后終于成為出色的天文學(xué)家。拉朗德比他的這位老師小19歲，青年時(shí)研究過(guò)法律，當(dāng)時(shí)他恰好住在一座天文臺(tái)附近，這喚起了他對(duì)天文學(xué)的強(qiáng)烈興趣。因此，他學(xué)完了法律，卻沒(méi)有去當(dāng)律師，而成了一名有作為的天文學(xué)家。

　　1752年，19歲的拉朗德來(lái)到柏林。當(dāng)時(shí)，他的老師拉卡伊正在非洲南端的好望角。這兩個(gè)地方差不多處在同一經(jīng)度圈上，緯度則相差90°有余。他們同時(shí)在這兩個(gè)地方進(jìn)行觀測(cè)，首次用三角法來(lái)測(cè)定月亮的距離，他們之間的基線比地球的半徑還要長(zhǎng)。在圖10中，B代表柏林，C代表好望角。夜幕降臨，月亮從地平線上越升越高。當(dāng)它到達(dá)最高點(diǎn)時(shí)，在圖10中的位置是M。這時(shí)，容易在B點(diǎn)（柏林）測(cè)量出月亮M的天頂距（即離開(kāi)頭頂方向的角度），它用ZB表示；同樣容易在C點(diǎn)（好望角）測(cè)出月亮M的天頂距ZC。圓弧BC的度數(shù)是知道的，它正是柏林與好望角兩地之間的緯度差，這個(gè)數(shù)值也正好是∠BOC的大小。

　　圖10在柏林（圖中B點(diǎn)）和好望角（圖中C點(diǎn)）同時(shí)觀測(cè)月亮（M），

　　O代表地球中心。ZB和Zc分別是月亮M在B點(diǎn)（柏林）和C點(diǎn)

　　（好望角）的天頂距

　　OB、OC是地球半徑，它的長(zhǎng)度，我們已經(jīng)知道。于是，在△BOC中已知兩條邊和它們的夾角∠BOC，就立即可以算出BC之長(zhǎng)和另外兩個(gè)角∠OBC和∠OCB的大小。根據(jù)這兩個(gè)角和ZB、ZC，就可以知道△MBC中的兩個(gè)角∠MBC和∠MCB之值。最后，既然在△MBC中知道了一條基線和兩個(gè)角，月球的距離也就唾手可得了。

　　拉卡伊和拉朗德計(jì)算的結(jié)果是：月球與地球之間的平均距離大約為地球半徑的60倍，這和現(xiàn)代測(cè)定的數(shù)值很相近。

　　這兩位學(xué)者的其他事跡，也很有趣。拉卡伊在好望角期間編制了一份巨大的南天星表，命名了14個(gè)南天星座，填補(bǔ)了南天星座尚存的全部空缺。它們的名稱(chēng)一直沿用至今。這位拉卡伊雖然很窮，但還是有求必應(yīng)地把星圖的副本分送給每位索取者。他為了制作星圖和星表而拼命工作，耗盡了他的精力，嚴(yán)重?fù)p害了健康，去世時(shí)還不到50歲。

　　他的學(xué)生拉朗德卻比較長(zhǎng)壽，活了75歲。拉朗德于1795年63歲時(shí)就任巴黎天文臺(tái)臺(tái)長(zhǎng)。他編了一份包含47000顆恒星的星表。其中有一顆編號(hào)為21185的，后來(lái)查明是少數(shù)幾顆離太陽(yáng)最近的恒星之一，它的名字現(xiàn)在就稱(chēng)為拉朗德21185。它也就是HD95735，只有半人馬α、巴納德星和沃爾夫359星才比它離我們更近些。

　　很值得一提的是，拉朗德還是一位了不起的天文知識(shí)普及家。他年輕力壯的時(shí)代，正值18世紀(jì)法國(guó)資產(chǎn)階級(jí)大革命的前夜。當(dāng)時(shí)的一部分啟蒙運(yùn)動(dòng)思想家編撰了著稱(chēng)于世的《百科全書(shū)》（全稱(chēng)《百科全書(shū)，科學(xué)、藝術(shù)和工藝詳解詞典》），其核心人物是主編狄德羅（DenisDiderot，1713—1784年）。《百科全書(shū)》自1751年第一卷問(wèn)世，到1772年完成28卷，歷時(shí)20余年之久，達(dá)朗貝爾（JeanleRondd’Alembert，1717—1783年）、伏爾泰（Voltaire，1694—1778年）、盧梭（Jean-JacquesRousseau，1712—1778年）、愛(ài)爾維修（ClaudeAdrienHelvétius，1715—1771年）等著名學(xué)者先后參與寫(xiě)作，而其中的全部天文學(xué)條目均出自拉朗德之手。

　　雷達(dá)測(cè)月和激光測(cè)月

　　用三角法測(cè)量得到的地月平均距離為384400千米，這已經(jīng)很精確了。但是，天文學(xué)家們并不滿足。雷達(dá)測(cè)月便是從20世紀(jì)50年代后期開(kāi)始發(fā)展起來(lái)的新方法，當(dāng)時(shí)雷達(dá)技術(shù)是人類(lèi)探索太陽(yáng)系天體的卓有成效的新手段。

　　雷達(dá)測(cè)月的方法直截了當(dāng)。如圖11所示，在地球上的某天文臺(tái)A向月球發(fā)出一個(gè)無(wú)線電脈沖，并記下發(fā)出脈沖的時(shí)刻t1；這個(gè)脈沖信號(hào)到達(dá)月球上的B點(diǎn)后，又反射回A點(diǎn)，記下接收到返回信號(hào)的時(shí)刻t2。電波傳播的速度就是光的傳播速度c，它在（t2-t1）這段時(shí)間內(nèi)走過(guò)的路程是c（t2-t1），這正是在AB兩點(diǎn)之間往返一次的長(zhǎng)度，所以AB之間的距離便是c（t2-t1）/2。再經(jīng)過(guò)一些推算，即可進(jìn)而定出月球中心到地球中心的距離。

　　圖11雷達(dá)測(cè)月示意圖。A是地球上的一座天文臺(tái)，它的

　　雷達(dá)發(fā)出的無(wú)線電脈沖從月球上的B點(diǎn)反射回來(lái)

　　早在1946年，就有人首次嘗試用雷達(dá)測(cè)量地球到月球的距離。第一次成功的“雷達(dá)測(cè)月”是1957年的事，從那以后這種方法取得了很大的進(jìn)展。通過(guò)系統(tǒng)的測(cè)量得知，地月平均距離為384400千米，其誤差不超過(guò)1千米。

　　激光的發(fā)明為整個(gè)科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域提供了強(qiáng)大的新武器。1960年，第一臺(tái)紅寶石激光器問(wèn)世，從此激光技術(shù)便飛速向前發(fā)展。這使天文學(xué)家獲得了將雷達(dá)天文學(xué)擴(kuò)展到光學(xué)波段的可能。在測(cè)量月地距離時(shí)，人們用“光雷達(dá)”取代無(wú)線電雷達(dá)，這便是現(xiàn)在很受推崇的“激光測(cè)月”工作。由于激光的方向性極好，光束非常集中，單色性極強(qiáng)，因此它的回波很容易與其他來(lái)源的光（例如背景太陽(yáng)光）區(qū)分開(kāi)來(lái)，所以激光測(cè)月的精度也遠(yuǎn)較雷達(dá)測(cè)月為高。

　　最初成功地接收到來(lái)自月面的激光脈沖回波是在1962年，它為激光測(cè)月拉開(kāi)了序幕。7年之后，即1969年7月，美國(guó)的“阿波羅11號(hào)”宇宙飛船第一次將兩位宇航員送上月球，他們?cè)谠旅嫔习卜帕说谝粋€(gè)供激光測(cè)距用的光學(xué)后向反射器組件。它的大小是46厘米見(jiàn)方，上面裝著100個(gè)熔石英制成的后向反射器，每個(gè)直徑為3.8厘米。這種反射器實(shí)際上是一個(gè)四面體棱鏡。它有一種奇妙的特性：當(dāng)一束光以任何角度投向第四個(gè)面時(shí)，它依次經(jīng)過(guò)另外三個(gè)直角面反射，最后仍然從第四個(gè)面射出，而且出射方向嚴(yán)格地與入射方向平行，因此，反射光將嚴(yán)格地沿著原方向返回發(fā)射站。這樣，利用面積很小的反射器組件就可以使地球上接收到從月球返回的激光回波，而且波束不會(huì)擴(kuò)散得很寬，可以獲得極高的測(cè)量精度。1969年8月1日，美國(guó)里克天文臺(tái)首次接收到從月面上的后向反射器返回的強(qiáng)回波信號(hào)，由此測(cè)定的距離精度已高達(dá)7米。人們?cè)谠虑蛏弦还舶卜帕?個(gè)后向反射器組件，到20世紀(jì)80年代，測(cè)月精度就已經(jīng)達(dá)到8厘米左右。

　　應(yīng)用精確的月球測(cè)距資料，使人們對(duì)月球環(huán)繞地球的軌道運(yùn)動(dòng)捉摸得更透徹了。這對(duì)于研究月球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、地月系統(tǒng)的質(zhì)量、地球的自轉(zhuǎn)、地極的移動(dòng)以及檢驗(yàn)引力理論等，都具有很重要的意義。

　　激光測(cè)月比過(guò)去采用三角法測(cè)定月球距離的精度提高了上千倍，20世紀(jì)末借助更優(yōu)質(zhì)的新穎激光器，更使測(cè)距精度達(dá)到了2～3厘米。這必將有助于更好地了解月球和地球的物理性質(zhì)，更有力地促進(jìn)天文學(xué)和其他相關(guān)科學(xué)技術(shù)的新發(fā)展。