阿西莫夫：變化的距離

【譯者之言：神秘而讓人充滿無限遐想的紅色星球，在中國天問一號即將登陸的時候，翻譯這篇阿西莫夫先生有關(guān)火星的科普短文，向這位偉大的科普巨匠致敬！】

對于在科學上所表現(xiàn)出的天真無知，我總是保持著專業(yè)的眼光。畢竟，我是一名科學作家和專業(yè)的“解惑人”，而且我發(fā)現(xiàn)，如果我去傾聽，公眾會告訴我，他們想要得到的解釋是什么。

例如，在1988年9月28日，行星火星來到了其最接近地球的位置之一。媒體不可避免地將它當做一件大事，大聲宣布說“火星正在接近地球”。

我可以想象，那些沒有任何天文知識的人們，在讀到這些報道的時候，會去展開想象——火星本來在頭頂上窺視我們，而它突然的出現(xiàn)，好像距離我們只有幾碼遠，則有著某種怪誕的重要性。

我本可以不去理會這件事，但當我發(fā)現(xiàn)自己已被卷入了這種神神秘秘，我就無法置身事外了。我接到來自一家電視網(wǎng)絡(luò)的一位令人愉快的小伙的電話。他想就火星的話題對我進行采訪。

電視臺離我不遠，不會引起我對旅行的不耐煩，于是我就同意了他的請求。我步行去了電視臺，坐到了攝影棚的燈光下。

我確認了第一個問題，并做好了準備。

“這次火星接近地球會怎么樣？”采訪人問道，聲音里帶著一絲驚恐?！斑@意味著什么？”

“并不是件奇怪的事啊，”我輕松地回答道，并進行了解釋。

想要三言兩語解釋清楚，并不是件容易的事，但這也沒有太過難倒我，因為我知道，我的科學短文系列中的一些具體見解可以幫到我。好吧，那就請坐下，聽我談?wù)動嘘P(guān)一些天文物體與地球之間的距離，以及這些距離如何變化之類的問題。

讓我們從月球開始，月球是所有具有相當尺寸的天體中，最接近地球的一個，它27.32天圍繞地球轉(zhuǎn)動一圈（相對于恒星），而在轉(zhuǎn)動過程中，它與我們的距離大致保持一致。

月球與地球之間中心至中心的平均距離，甚至早在古希臘就有人以合理的精度進行了計算。但在過去的幾十年，我們發(fā)射了微波并從月球上反彈回來，從微波波束往返所用的時間，我們已經(jīng)確定了月球的距離，精度在幾百米之內(nèi)。

月球距離地球的平均距離為384,400.5公里（238,906.5英里）。

如果月球以完美的圓形軌道繞地球轉(zhuǎn)動的話，它與地球隨時都會保持這一距離，但是月球的軌道并不是完美的圓形，而是橢圓形。這個橢圓十分接近圓形；它是如此地接近圓形，以致于我們縮小比例在一張紙上畫出月球的軌道時，它看上去就像是一個圓——盡管它并非是真的圓。

圓有一個圓心，而橢圓有兩個“焦點”，每個焦點在中心的兩側(cè)。對于月球的橢圓形軌道，地球位于其中的一個焦點；也就是說，在橢圓中心的一側(cè)。

通過兩個焦點，從橢圓的一側(cè)到另一側(cè)的直線為“長軸”。當月球位于地球所占據(jù)的焦點同一側(cè)的長軸的一端時，它就最接近地球。此刻，它就位于“perigee（近地點）”（希臘語，意思是“靠近地球”）。而當月球位于長軸的另一端時，它離地球最遠，那也就位于“apogee（遠地點）”（希臘語，意思是“遠離地球”）。（見圖1）

圖1 橢圓（夸大）

月球在其軌道繞地球轉(zhuǎn)動時，從近地點移動到遠地點，然后又回到近地點。所產(chǎn)生的距離差不是太大，因為軌道的橢圓度并不大。但月球在近地點距離地球還是只有356,375公里（221,451英里），而在遠地點距離地球則達到了406,720公里（252,736英里）。

這樣，這一距離差在整個四個星期的軌道上為50,345公里（31,284英里），或者大約為其平均距離的13%。

這一距離差會以什么方式影響到月球的外形嗎？確實會的。月球位于近地點時的視直徑為33.48弧分，而在遠地點則只有29.37弧分。月球在近地點的外形要比它在遠地點的外形大14%，而它在近地點的視面積則比其在遠地點時大30%，這意味著，如果月球恰巧在近地點滿月，就會比它恰巧在遠地點滿月要明亮30%。

你覺得這很重要嗎？顯然，這對公眾并沒有什么影響。據(jù)我所知，人們似乎從來就沒有意識到，有時候的滿月會比其它時候要明亮30%。

下面，讓我們來聊聊太陽。地球繞太陽旋轉(zhuǎn)一周需要365.2422天。其軌道，正如實際的那樣，幾乎是圓形，以致于太陽與地球之間總是大致保持著相同的距離。太陽到地球的平均距離，中心至中心，大約為149.6百萬公里（93.0百萬英里），或者是月球到地球距離的389倍。

但是地球的軌道也不是一個完美的圓形，它有輕微的橢圓度。地球軌道的橢圓度要比月球軌道的橢圓度要小。軌道橢圓的程度可以用其“偏心度”加以表示。圓的偏心度為零，而是月球橢圓軌道的偏心度為0.055，正如你所知道的那樣，距離零并不遠。而地球橢圓軌道的偏心度則只有0.0167。

但是，即使是這微小的地球軌道的偏心度，也意味著地球與太陽之間的距離在一年的過程中會發(fā)生可以測量到的變化。當?shù)厍蛱幱凇皃erihelion（近日點）”（“靠近太陽”），太陽與地球的距離為147.1百萬公里（91.4百萬英里）。而在“aphelion（遠日點）”（“遠離太陽”），太陽與地球的距離則為152.1百萬公里（94.5百萬英里）.

距離差為5.0百萬公里（3.1百萬英里），這僅僅是其平均距離的5.4%。與月球變化的距離相比，太陽變化的距離差百分比更小，這說明地球的軌道比月球的軌道偏心度更小。

變化的太陽距離，可以反映在天空中太陽的視尺寸上。當?shù)厍蛭挥诮拯c時，太陽的視直徑為32.60弧分；而當?shù)厍蛱幱谶h日點時，太陽的視直徑只有31.63弧分。這樣，在近日點，太陽外形要寬3%，換成視面積相應(yīng)要大6%，這意味著，太陽在近日點產(chǎn)生的光和熱比在遠地點要多6%。

然而，如果在近地點滿月時所增加的30%的月球光亮未能引起人們的注意，你可以確信，在近日點增加的6%的太陽光亮完全可以被人們忽略掉。（尤其在這個時代，遠地點到來的時候恰巧是北半球的冬季，而人類大多數(shù)都居住在北半球。此時的太陽在天空中處于較低的位置，并且在地平線以上停留的時間更短，因此，太陽增加的光亮更容易被忽略掉。）

即使是這樣，在最近幾十年內(nèi)，這一近日點-遠日點距離差，連同歲差以及地球軌道偏心度和軸向傾斜輕微的周期性變化，一直被認為是地球氣候長期波動的原因（包括冰河時代的產(chǎn)生）。但這個問題我們在此不需要去討論。

現(xiàn)在我們可以看看火星了，火星完全是另一個反面。因為月球圍繞地球轉(zhuǎn)動，而地球又圍繞太陽轉(zhuǎn)動，這兩個天體在天空中似乎都形成了大致圓滑的環(huán)路，相對于恒星的背景，它們以幾乎穩(wěn)定的速度在運動（如果不考慮地球自轉(zhuǎn)的影響）。

然而，火星雖然也像地球一樣圍繞太陽旋轉(zhuǎn)，但是以不同的距離和不同的速度，這樣就有了兩種不同的軌道，而不是一種。這意味著，火星在天空中的視運動比月球或太陽的視運動要復雜得多。

地球與太陽的平均距離為149.6百萬公里（93.0百萬英里），而火星與太陽的平均距離為228百萬公里（142百萬英里）。這意味著火星與太陽的距離是地球與太陽的距離的1.52倍，而在軌道上移動時，火星行走的距離則是地球穿越距離的1.52倍。

此外，由于比火星更接近太陽，地球受太陽引力的影響更大，并且地球在其較短的軌道上比火星在較長的軌道上行走得更快。地球繞太陽轉(zhuǎn)動，移動的速度平均為每秒鐘29.79公里（每秒鐘18.51英里），而火星繞太陽轉(zhuǎn)動，移動的速度平均為每秒鐘24.13公里（每秒鐘14.99英里）。因此，火星繞太陽一整圈所花的時間，比你按照其較長的軌道所預(yù)期的要更長。地球繞太陽一周需要365.2422天，而火星繞太陽一周則需要686.98天，或者是1.88個地球年。

這意味著，地球和火星都在相同的方向上圍繞太陽向前跑，但地球永遠都比火星快，跑在前面，跑完一整圈之后，又從后面追上來，再次趕超火星，如此反復，在兩個天體存在的幾十億年間，周而復始。

這又進一步說明，在地球追上火星，并正要超過它的那一瞬間，火星最接近地球。此時，兩者都位于太陽的同一側(cè)，而在超越點處，從地球向太陽作一條線，如果能延長的話，該線也將穿過火星（見圖2）（假設(shè)兩顆行星都在同一平面內(nèi)移動，但實際并不是）。

圖2 沖位置和合位置的火星

從地球上看去，在超越火星的一瞬間，午夜的火星最靠近天頂，相對于太陽的位置正好在地球的另一側(cè)。由于火星和太陽處于地球相反的兩側(cè)，那么就可以說火星處于“沖”的位置，而在沖的位置火星距離地球最近。

當?shù)厍蛲ㄟ^沖的位置，追趕上火星之后，它又會離火星越來越遠。最后，它在太陽的相反側(cè)遠遠跑在了火星的前面。在這一點處，地球與火星之間的距離達到最遠。而此刻的火星則在太陽的另一側(cè)，從地球上看去，火星在天空中似乎來到了距離太陽非常近的地方。火星和太陽處于“conjunction（合）”（拉丁語，意思是“拼合在一起”）的位置。在合的位置，地球和火星之間的距離最遠。

如果火星停止不前，地球從沖的位置移動到合的位置恰好需要半年時間，而需要另外半年時間再返回到?jīng)_的位置。但是，火星也在獨自往前跑——盡管跑得不及地球快，但也快到足以讓地球在超過火星一整圈的追趕中，需要花上相當長的時間。

實際上，地球要超過火星一圈，或者從一個沖的位置到下一個沖的位置，平均需要花上779.94天（2.137年）的時間。

現(xiàn)在假設(shè)地球和火星都以圓形軌道繞太陽轉(zhuǎn)動。在這種情況下，在沖的位置，火星到地球的距離應(yīng)為火星到太陽的距離減去地球到太陽的距離。結(jié)果為78百萬公里（48.5百萬英里）。

在合的位置，地球和火星處于太陽相反的兩側(cè)，它們之間的距離為78百萬公里（48.5百萬英里）加上地球軌道的整個寬度（如果不是太明白的話，可以參照圖2）。此時地球和火星之間的距離為377百萬公里（234百萬英里）。

火星和地球之間的距離，在合的位置是在沖的位置的距離的4.8倍，而火星在沖的位置的亮度是在合的位置的亮度的大約23倍。

毫無疑問，這回應(yīng)該足以讓人們注意到了。

但這種說法對，也不對。在沖的位置，火星高掛在天空中，整夜都能看到。但是，在其通過沖的位置時，它會離太陽越來越近，在夜晚能看到的時間就會越來越少。最終，它會被太陽的光芒所淹沒，在夜空中根本就看不見了，或者僅能夠在黎明或黃昏時被看到。

火星因此開始變得不再那么顯眼，這不僅是因為它變暗了，而且是因為它慢慢離開了夜空。對于不是天文學家的人來說，這兩個原因可能容易混淆。

然而，地球和火星的軌道都不是圓形。不可否認，地球的軌道接近圓形，但是火星的軌道距離理想的圓形還差得相當遠。正如我在前文中所說的，地球軌道的偏心度為0.0167，而火星軌道的偏心度達到了0.0934，這甚至比月球的都要大得多。

這意味著，火星在遠日點距離太陽249百萬公里（155百萬英里），而在近日點距離太陽只有207百萬公里（129百萬英里）。距離差為42百萬公里（26百萬英里），這是火星與太陽之間平均距離的18.4%。

為了簡單起見，假設(shè)我們將地球的軌道考慮為一個圓（它實際也非常接近圓形）。

如果沖發(fā)生在火星遠日點，那么地球與火星之間的距離為249-149=100百萬公里（62百萬英里）。如果沖發(fā)生在火星的近日點，地球與火星之間的距離則為207-149=58百萬公里（36百萬英里）。由于地球的軌道不完全是圓形，最小的距離又可能會小到55.5百萬公里（34.5百萬英里）。

現(xiàn)在，讓我們先忘掉太陽。只考慮沖，當火星高掛在天空中，并整夜都在天空中的時候，以及當太陽正好在地球的另外一側(cè)的時候，火星在這樣一些沖的位置，會比在其它沖的位置更加接近地球（見圖3）。

圖3 近日點和遠日點的火星沖

鑒于此，在近日點的火星處于沖的位置時，它的亮度是在遠日點處于沖的位置時的亮度的3.25倍。這是可以讓人們注意到的。

由于顏色的問題，這一可注意度尤其重要。兩顆最亮的行星，金星和木星，顏色為白色。而當火星在近日點處于沖的位置時，它實際上比木星還要明亮一點，但顏色明顯為紅色。它其實是天空中最明亮的紅色物體。

我們知道，火星的紅色是因為其土壤富含鐵，以致于我們看到的是一顆近乎生銹的行星。但是，對于在鐵器時代之前觀察天空中火星的古人來說，在他們還不熟悉鐵銹的時候，這種顏色只能意味著一種東西——鮮血。

從任何系統(tǒng)意義上來說，蘇美爾人都是星空的最早觀察者，難怪他們將這顆行星命名為尼格爾（Nergal）（他們的戰(zhàn)爭、毀滅和死亡之神）。希臘人遵循了將這顆行星按照他們自己的戰(zhàn)神——阿瑞斯（Ares）來命名的傳統(tǒng)，而羅馬人則按照自己的戰(zhàn)神將其稱為Mars（火星）。我們沿用了羅馬人的名稱。

人們將天空中照耀在自己身上的，一顆顏色血紅，帶有象征戰(zhàn)爭、毀滅和死亡名字的天體視為邪惡和威脅，是一件十分自然的事情。每隔一年，火星就像一顆紅色的寶石一樣穿過夜空，并且每隔一段時間，它又會變得特別明亮。在那些明亮的時期，當它在近日點或在近日點附近處于沖的位置時，如果人們因為看到它心臟變得脆弱，并且幻象會出現(xiàn)最壞的情況，就不足為奇了。

當然，這純粹是迷信，但這種迷信對人們心智的控制，卻遠勝于冷靜的理由對人們心智的控制。

即使在明白了天文學上的這一番事實之后，并且火星作為戰(zhàn)神的概念已經(jīng)退變成一個神話中的物體時，人們?nèi)詴⒒鹦桥c邪惡聯(lián)系在一起。

1965年之前，天文學家非常興奮地觀察到了火星沖的現(xiàn)象。對于他們來說，并沒有迷信的恐懼，而是充滿著巨大的希望。在1608年望遠鏡被發(fā)明出來后，通過望遠鏡觀察火星成為可能，人們也就能夠比單用肉眼看到更多的東西。在沖的位置，當火星距離最近時，人們看到的火星比別的時期更大、更清晰，而在近日點發(fā)生沖時，人們看到的是最大、最清晰的火星。

每隔大約三十一年，火星會在近日點或非?？拷拯c處于沖的位置，此時天文學家們會架好他們的望遠鏡，準備進行觀察，這讓人們無比興奮，也就進入了公共媒體的視線。然后人們會對“火星正在靠近”驚嘆不已，并且或許也會對此感到一絲緊張。

當然，在火星每次接近時，望遠鏡、分光光譜儀、攝影技術(shù)等等，相比上一次接近時的情況，都會取得一些進步。因此，每次都總是會有機會能將火星表面的斑紋看得比以往任何時候都清楚，也可以更明確地繪制火星地圖，并且還可能會有預(yù)料之外的發(fā)現(xiàn)，諸如此類。

1877年，當火星接近地球時，美國天文學家阿薩夫·霍爾（Asaph Hall）（1829-1907）抓住機會進行了一項深思熟慮的研究，尋找可能恰巧非常靠近火星的衛(wèi)星。（它們應(yīng)該非常小，非?？拷駝t應(yīng)該早就被發(fā)現(xiàn)了。）8月11日，正當他準備放棄時，他的妻子安吉麗娜·斯蒂尼·霍爾（Angelina Stickney Hall）說道，“阿薩夫，再堅持一晚上吧?！彼沾俗隽?，結(jié)果發(fā)現(xiàn)了兩顆衛(wèi)星，他將它們按照戰(zhàn)神的兒子的名字分別命名為Phobos（“害怕”）（火衛(wèi)一）和Deimos（“恐懼”）（火衛(wèi)二）。

在同樣一次火星沖的過程中，意大利天文學家吉奧瓦尼·弗吉尼亞·斯奇帕雷利（Giovanni Virginio Schiaparelli）（1835-1910）繪制了比以往更好的火星地圖。他注意到了一些狹窄的暗線，并認為是河渠，就將它們稱為“canali”（意大利語的“河渠”，任何類似于英吉利海峽那種狹窄、自然伸展的水道的稱謂）。

但是，這個詞被翻譯成英文的“canal（運河）”是個嚴重的錯誤，因為canal適用于人工水道。立刻，許多不是天文學家的人（以及一些天文學家）都認為這是火星上發(fā)現(xiàn)生命的證據(jù)。不僅有生命，而且它們還有能夠建造運河的先進技術(shù)。

畢竟，火星是一顆較小的行星，其表面的重力只有地球的五分之二，這樣它可能在慢慢地失去水。運河的建造就是為了將水從極地冰帽帶到火星上溫暖部分的農(nóng)業(yè)用地。

美國天文學家帕西瓦爾·羅威爾（Percival Lowell）（1855-1916）接受了這一觀點。他在亞利桑那建立了一個天文臺，這里可以通過沙漠高地上稀薄、干燥的空氣很好地觀察火星。他發(fā)表了顯示火星上運河縱橫交錯，并在綠洲匯合的地圖，他還寫了幾本書，宣稱火星上有高級生命存在。

多數(shù)天文學家對此表示懷疑，但是一般公眾卻大加贊賞。他們不僅接受了火星高級生命的理念，而且還接受了血紅色的火星還在繼續(xù)發(fā)揮其影響力，并且火星生命被認為是邪惡的這一古老的迷信。

1898年，英國作家赫伯特·喬治·威爾斯（Herbert George Wells）（1866-1946）就此主題發(fā)表了《世界大戰(zhàn)》一書，據(jù)我所知，這是第一本關(guān)于星際戰(zhàn)爭的書。作者把它當作了一種社會諷刺。歐洲的國家，尤其是英國，剛剛完成了對非洲的瓜分，而沒有考慮到非洲人。威爾斯描繪了火星人在英國著陸，并接管了英國，而沒有考慮到英國人。

但是，一般公眾卻忽略了這種諷刺效果，而是完全將注意力放在了火星人入侵的恐怖畫面以及火星人邪惡的本性上。

這本書緊緊抓住的東西幾乎成了這類科幻小說中的一種慣例：火星人技術(shù)先進，遠超地球，但是它們都是墮落和邪惡的，并且由于它們的行星正瀕臨死亡，它們強烈渴望征服地球。

我不知道在1900年至1965年之間人們究竟寫了多少有關(guān)火星人入侵的故事，但是事實上，每個人都不知不覺地盡了自己的一份力量，來支持邪惡的火星這一長期的迷信觀點——它的產(chǎn)生僅僅是因為這顆可憐的行星是鐵銹色的，并且離我們足夠的近，以致于在其接近地球時，能顯示讓我們看到它的鐵銹色。

即使是到了1938年（幾乎正好在我寫這篇短文的五十年之前），保留在人們頭腦中的火星人入侵的危險畫面依然很清晰。1938年10月30日，奧森·威爾斯（Orson Wells）（1915-1985）制作了一個將威爾斯的小說戲劇化的廣播節(jié)目。他將火星人著陸的地點由英國搬到了新澤西，并通過虛構(gòu)的新聞簡報和政府公告的方式講述了這個故事，這就像那些描述上個月戰(zhàn)爭恐慌的節(jié)目一樣（該戰(zhàn)爭恐慌以西方陣營在慕尼黑向希特勒投降而告終）。

威爾斯很清楚這個故事是虛構(gòu)的，但是大量的新澤西人卻陷入了恐慌，在他們試圖躲避火星人的入侵時，甚至還造成了高速公路的擁堵。

在有關(guān)火星的采訪中，當我被問及對1938年入侵恐慌事件的感想時，我對此感到有點憤憤不平。

我說道，“你告訴人們臭氧層正在枯竭，森林正在被砍伐，沙漠正在穩(wěn)步推進，溫室效應(yīng)將會把海平面提升200英尺，人口過剩正讓我們窒息，污染正在殺死我們，核戰(zhàn)爭可能毀滅我們——他們卻打著哈欠，想安頓下來睡個舒服的小覺。而你告訴他們火星人正在著陸，他們則邊叫邊跑。這難道不令人感到悲哀嗎？”

這段話在編輯過程中被刪去，沒有被播放。

直到斯奇帕雷利在不知不覺中將其開啟近九十年之后，邪惡火星的神話故事以及它們先進的技術(shù)才走到了盡頭。

1964年11月28日，火星探測器水手4號發(fā)射了。1965年7月14日，它在距離火星表面不到10，000公里（6,200英里）處掠過火星，拍攝了二十張系列照片，并發(fā)回地球。這些照片上沒有顯示任何運河。只有環(huán)形山，看上去和月球上的環(huán)形山非常相似。

接下來又發(fā)射了其它探測器，到目前為止，我們已繪制了詳細的火星地圖。在火星表面，不僅有環(huán)形山，還有死火山、一條巨大的峽谷、一些混亂的地形、一些看上去完全像是干涸的河床的斑紋以及冰帽（它們至少部分是由干冰組成的）?；鹦沁€有非常稀薄的大氣，其中含有的氧氣不值得一提。

火星上沒有任何運河的跡象，沒有任何液態(tài)水的跡象，也沒有任何生命的跡象。

那么現(xiàn)在，如果火星接近地球又有什么關(guān)系呢？沒有任何專業(yè)的天文學家會試圖通過望遠鏡觀察它，再去發(fā)現(xiàn)火星的任何東西。探測器告訴我們的已經(jīng)遠遠超過地球上望遠鏡能夠告訴我們的，而任何進一步的重要信息，不管怎樣都一定會來自未來載人或不載人的的探測器。

不可否認，對于業(yè)余天文學家，在這幾次火星接近地球時去觀看火星仍然很有趣。他們將看到比往次更大、更清晰的火星球體。

這不會出現(xiàn)任何問題，也沒有理由去感到敬畏，或去產(chǎn)生一些模糊的預(yù)感，或叫人來解釋這一可能被認為是可怕的或怪異的現(xiàn)象。

就是說，除了那個已經(jīng)5000多年老朽的，并且從一開始就毫無根據(jù)的迷信之外，再沒有任何其它理由能讓你去感到恐懼。

（作者：艾薩克.阿西莫夫（Isaac Asimov），譯者：勁松）