TBBT第3季23集：疯狂的月亮

（文/大卫·萨尔兹保）月亮绕着地球转，地球和月亮同时绕着太阳转。但它们都有自己的轨道，不用担心会砸下来。

我发现学生中有一种常见的误解，认为宇航员是因为不受地球的引力，所以能在空间站中漂浮。

按比例缩小的空间站轨道图，宇航员离地面很近，还无法忽略地球引力

实际上，围绕地球旋转的宇航员、空间站和卫星都与我们地面上的人一样，时刻被引力拉向地心。空间站大约位于地面上空300千米处，宇航员受到的引力仍然相当于地面上的90%。不过，空间站也同时被拉向地心。就像在游乐场里玩“跳楼机”一样，人们并不是真的摆脱了地球引力，而是因为脚下的地板也在以相同的速度下落。所以宇航员处于失重状态。

宇航员之所以不会掉回地面，是因为他们在以2.7万千米/小时左右的速度绕地球飞驰。如果不受任何力的作用，他们将会沿直线永远运动下去，消失在我们太阳系的尽头。地球的引力改变了运动的方向，但不足以把他们拉回地面，这就形成了围绕地心的圆周运动。就好比你拎起一只猫的尾巴把它转起来，你在用力，但猫与你的距离不变，时刻垂直于你拉它的方向。如果距离和速度合适，宇航员与空间站也会始终保持相对于地面的距离。

地球绕太阳旋转也是一样的道理，所以我们至今还没有落到太阳上。月亮也在绕太阳旋转，否则它早就跟我们分道扬镳了。

既然地球与月亮都被拉向太阳，我们不禁发出伽利略扔铁球时的疑问：它们下落的速度相同吗？这就需要剧中宅男们进行的月面激光反射实验了。他们将激光射向阿波罗号宇航员在月球上留下的反光镜，这些反光镜排成正方体，因此入射光恰好可以沿反方向返回。

阿波罗11号宇航员留在月球上的回射镜，能够将激光反射回出发点。

激光到达月球再反射回来大概需要2.5秒钟。通过将时间的精度提高到千亿分之一秒，月球测距实验已在毫米级别测定了地月之间的距离，天体物理学家可以据此检验月球的运动规律。

广义相对论的核心就是等效原理，此原理认为物体无论质量大小和化学组成，总会以相同速度下落。从研究结果来看，尽管月球与地球的组成、大小相去甚远，却被一起拉向太阳。质量不仅仅与组成物质有关，由于组成地球和月球所需能量相差很大，根据爱因斯坦著名的方程m = E/c2，这种形式的质量也明显不同。月球测距支持了相同的下落速度，从而也成了等效原理的证据。

相对论的其他内容也通过月球测距实验得到了完美的检验。密切的监测还表明月球的核是液态的。这是物理学史上历时最长的实验之一了，35年间的实验证明月球不但没有撞向地球的危险，还在以每年3.8厘米的速度离我们远去，因为液态的内核耗掉了它的一部分能量。大约5亿年后，随着月亮的远去，日全食也将成为历史。如果赶上全日食，请不要错过了。

月面激光反射实验，来自Apache Point天文台。拍摄时对月球进行了过度曝光。

最后，正如莱纳德对扎克所言，回射镜的存在经常被用来反驳人类不曾登上月球的说法。其实莱纳德的说法也有漏洞，无人探测器同样可以将镜面留在月球上，前苏联的Luna 21任务就是最好的证据。

准备布景时，几位机组人员问了一个我从没想过的问题：2.5秒内，房屋以及检测设备都随地球自转而移动了，怎么还能收到激光信号呢？其实是因为激光束在传播过程中会扩大，传回地球时激光范围已超过10千米，比光点大得多。

编辑： 居尚

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博主介绍： 大卫·萨尔兹保（David Saltzberg）是美国加州大学洛杉矶分校的物理、天文学教授。与此同时，他还担当着《生活大爆炸》的科学顾问。剧中Sheldon一伙所说的那些专业术语，全部出自此人之手。在他的博客里又进一步阐释了那些令人挠头的科学小知识。