【David Yu】遷居月球?與月結緣的克卜勒

余海峯David Yu

德國馬克斯普朗克地外物理研究所 (Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics) 天體物理學博士

傳說牛頓 (Isaac Newton) 坐在劍橋一棵蘋果樹下,思考為什麼月球不會掉落地球之際,被從樹上掉下熟透的蘋果擊中頭頂,靈光一閃發現萬有引力定律 (Law of Universal Gravity) 。

克卜勒的宇宙

克卜勒 (Johannes Kepler) 也曾凝望月球。生活於牛頓一個世紀之前的克卜勒,本是個數學教師。後來憑着他自己做的天文學研究,向丹麥皇家天文學家第谷 (Tycho Brahe) 毛遂自薦當助手,最終利用第谷豐富的天文觀測數據發現了行星運動定律 (Laws of Planetary Motion) 。

克卜勒的行星運動定律是天文學的革命性發現,由三大定律組成:

一、行星環繞太陽公轉的軌道是橢圓形的,而且太陽位於其中一個焦點之上;

二、行星與太陽連成的直線掃過的面積與時間成正比。換言之當行星越接近太陽,在軌道上的速度就越快;

三、行星橢圓軌道半長軸立方與軌道週期平方成正比。換言之離太陽越遠的行星公轉需時越久。

克卜勒的這三大行星運動定律是所謂的現象性定律,即是基於觀測結果歸納出來的,而非經由其他較為基礎的物理定律推導出來。

一個世紀之後,牛頓利用萬有引力定律,結合他的三大力學定律 (Laws of Mechanics) ,成功重新推導出克卜勒的行星運動三定律。這是史無前例的創舉,因為力學定律本身源自觀察地球上的事物,而萬有引力定律卻假設包括地上的和天上的所有事物都遵守相同的物理定律,因此牛頓此舉等於證實宇宙間所有事物都遵守一樣的自然規律,沒有例外。

克卜勒只差一步就達致牛頓的成就。他如果能夠從行星運動定律反過來找出萬有引力定律的話,文明發展就可能超前一個世紀。誰知道今天社會會變成怎麼樣?

之不過歷史並不需要這樣的後見之明。克卜勒對天文學的貢獻已經足夠他的事蹟永留青史,他的行星運動三大定律亦已成為全世界所有學物理的學生必修的課題。

而且行星運動定律並不只適用於行星環繞太陽公轉。這三大定律能夠應用於衛星環繞行星公轉,以及所有被萬有引力束縛的系統。換句話說,克卜勒的發現適用於宇宙所有東西,因為萬有引力是唯一影響所有物質和能量的基礎交互作用 (Fundamental Interaction) 。而這當然包括人造衛星、國際太空站,以及月球環繞地球公轉,克卜勒發現的定律都照樣可以應用。

地球環繞太陽運行,與月球環繞地球運行,在物理上沒有分別。

Credit: Chris Pelser

月球的誕生

太陽系於大約46億年前誕生,那時月球本來是一顆稱為忒伊亞 (Theia) 的小行星,尺寸有如今天的火星那樣大,被太陽和地球的共同引力鎖了在第四或第五地日拉格朗日點 (Earth-Sun Lagrange Point) 之上。在拉格朗日點上的物體會在固定的相對位置上隨地球一起環繞太陽公轉。

在大概45億年前,忒伊亞的軌道被太陽系內某顆行星的引力擾動,導致其與地球正面碰撞。

天文學家利用電腦模擬計算出撞擊的過程:忒伊亞被撞至整個粉碎,地球上的許多物質也被撞至太空中,並與忒伊亞的碎片混合在一起。忒伊亞的核心很可能與地球的核心結合了,而剩下的碎片則被地球引力束縛,變成了環繞地球的一個環,好像今天見到的土星環。這個由忒伊亞的碎片構成的「地球環」,慢慢重新匯聚成一顆衛星,就是我們現時見到的月球了。當然,「地球環」亦遵守克卜勒行星運動定律。

月球是地球的守護者。利用望遠鏡我們可以清楚看見月球的表面凹凸不平,有着各種不同的地勢和山丘。這是月球在形成後被隕石撞擊所形成的。太陽系誕生後仍充斥着大大小小、數量眾多的小行星。這些小行星如果進入地球大氣層就會因大氣摩擦燃燒形成流星,燒不盡的就會落在地上,稱為隕石。如果隕石太大,就會對地球上的生命構成威脅,例如6,600萬年前一顆直徑10公里的隕石就滅絕了恐龍。

對比太陽系其他衛星與行星的尺寸比例,月球相對地球相當巨大。月球直徑約3,500公里,即地球的 27% ,質量是地球的1.2% 左右,是太陽系尺寸第五大的衛星。相比之下,跟地球差不多大小的金星沒有衛星、火星亦只有兩顆細小的衛星。巨大的月球引力把許多本有機會撞向地球的小行星的軌道改變,要不是把它們拋走就是令它們撞向月球自己。所以我們今天見到的許多月球隕石坑,都是月球保護地球生命的證據;而其中一個隕石坑的名字,就叫做克卜勒。

遷居月球?

現代人類大約於30萬年在非洲演化出來,然後在9萬至6萬年前之間開始向全世界擴散。

人類的足跡遍佈全球七大洲,然而地球上還有非常多人類從未到過的地方,例如極地、亞馬遜叢林深處和海底。有趣的是,人類早在20世紀60年代就已經踏足月球。

月球離開地球非常之近,平均大約40萬公里。這個距離以光速飛行的話,只需要1.3秒。乘坐太空船飛到月球的話,則大約需要三天左右的時間。由於光速已經是宇宙中的極速,因此登上月球的太空人與地面通話時總會有至少1.3秒的延遲。

在克卜勒的時代,科學家普遍認為月球尚有生物居住,有「月球人」,而肉眼亦可見的月球上的深淺不同的區域,則是月球上的「月海」和陸地。即使到了今天,我們知道月球上不但沒有海洋,也沒有空氣,但月海 (lunar mare) 這個名詞仍被保留下來。

太空人當然可以穿着太空衣在月球表面上活動,那麼接下來當然就是問:我們可以在月球上居住嗎?主要視乎怎樣才算是在月球「上」居住了。由於月球沒有大氣層的保護,微隕石和各種宇宙射線能夠直接撞擊和照射到月球表面,威脅太空人的生命安全。

以現時的科技,如果我們要移居月球,就必須要在月球地底建造殖民地,或者把居住模組放在月球表面之後再向其噴灑月球的泥土和沙塵,以阻擋微隕石和宇宙射線。遺憾的是,在各種科幻電影中看見的那種半球形玻璃天幕殖民地,恐怕很難實現。

十七世紀,克卜勒仔細觀察月球和宇宙,發現了革命性的天文學定律;他又想像人類能夠遨遊月球,寫成人類第一本科幻小說。今天,人類依靠牛頓、克卜勒等人的科學發現,製造出火箭和穿梭機登上月球。只要我們保持對宇宙的好奇心和想像力,誰又知道以後科學會帶領人類探索宇宙的什麼地方?

取材自 Kepler 的《Somnium》,編劇廖端麗 (Diana Liao) 寫成了歌劇《桑莉吟》,由跨界藝術家 Nerve,聯同媒體藝術家黃智銓的裝置、簡僖進及劉銘鏗形塑的聲景與光影、謝振聲的影像,建構的一個實驗性作品。

相關資料:
桑莉吟 Somnium(售票:POPTICKET

創作:  Nerve

策劃及製作: No Discipline Limited8-10.10.2022 以及 13-15.10.2022 7:00pm-10:00pm 於香港兆基創意書院 多媒體劇場 及 展覽廳演出英語及粵語)

發佈留言

發佈留言必須填寫的電子郵件地址不會公開。