阿西莫夫：变化的距离

【译者之言：神秘而让人充满无限遐想的红色星球，在中国天问一号即将登陆的时候，翻译这篇阿西莫夫先生有关火星的科普短文，向这位伟大的科普巨匠致敬！】

对于在科学上所表现出的天真无知，我总是保持着专业的眼光。毕竟，我是一名科学作家和专业的“解惑人”，而且我发现，如果我去倾听，公众会告诉我，他们想要得到的解释是什么。

例如，在1988年9月28日，行星火星来到了其最接近地球的位置之一。媒体不可避免地将它当做一件大事，大声宣布说“火星正在接近地球”。

我可以想象，那些没有任何天文知识的人们，在读到这些报道的时候，会去展开想象——火星本来在头顶上窥视我们，而它突然的出现，好像距离我们只有几码远，则有着某种怪诞的重要性。

我本可以不去理会这件事，但当我发现自己已被卷入了这种神神秘秘，我就无法置身事外了。我接到来自一家电视网络的一位令人愉快的小伙的电话。他想就火星的话题对我进行采访。

电视台离我不远，不会引起我对旅行的不耐烦，于是我就同意了他的请求。我步行去了电视台，坐到了摄影棚的灯光下。

我确认了第一个问题，并做好了准备。

“这次火星接近地球会怎么样？”采访人问道，声音里带着一丝惊恐。“这意味着什么？”

“并不是件奇怪的事啊，”我轻松地回答道，并进行了解释。

想要三言两语解释清楚，并不是件容易的事，但这也没有太过难倒我，因为我知道，我的科学短文系列中的一些具体见解可以帮到我。好吧，那就请坐下，听我谈谈有关一些天文物体与地球之间的距离，以及这些距离如何变化之类的问题。

让我们从月球开始，月球是所有具有相当尺寸的天体中，最接近地球的一个，它27.32天围绕地球转动一圈（相对于恒星），而在转动过程中，它与我们的距离大致保持一致。

月球与地球之间中心至中心的平均距离，甚至早在古希腊就有人以合理的精度进行了计算。但在过去的几十年，我们发射了微波并从月球上反弹回来，从微波波束往返所用的时间，我们已经确定了月球的距离，精度在几百米之内。

月球距离地球的平均距离为384,400.5公里（238,906.5英里）。

如果月球以完美的圆形轨道绕地球转动的话，它与地球随时都会保持这一距离，但是月球的轨道并不是完美的圆形，而是椭圆形。这个椭圆十分接近圆形；它是如此地接近圆形，以致于我们缩小比例在一张纸上画出月球的轨道时，它看上去就像是一个圆——尽管它并非是真的圆。

圆有一个圆心，而椭圆有两个“焦点”，每个焦点在中心的两侧。对于月球的椭圆形轨道，地球位于其中的一个焦点；也就是说，在椭圆中心的一侧。

通过两个焦点，从椭圆的一侧到另一侧的直线为“长轴”。当月球位于地球所占据的焦点同一侧的长轴的一端时，它就最接近地球。此刻，它就位于“perigee（近地点）”（希腊语，意思是“靠近地球”）。而当月球位于长轴的另一端时，它离地球最远，那也就位于“apogee（远地点）”（希腊语，意思是“远离地球”）。（见图1）

图1 椭圆（夸大）

月球在其轨道绕地球转动时，从近地点移动到远地点，然后又回到近地点。所产生的距离差不是太大，因为轨道的椭圆度并不大。但月球在近地点距离地球还是只有356,375公里（221,451英里），而在远地点距离地球则达到了406,720公里（252,736英里）。

这样，这一距离差在整个四个星期的轨道上为50,345公里（31,284英里），或者大约为其平均距离的13%。

这一距离差会以什么方式影响到月球的外形吗？确实会的。月球位于近地点时的视直径为33.48弧分，而在远地点则只有29.37弧分。月球在近地点的外形要比它在远地点的外形大14%，而它在近地点的视面积则比其在远地点时大30%，这意味着，如果月球恰巧在近地点满月，就会比它恰巧在远地点满月要明亮30%。

你觉得这很重要吗？显然，这对公众并没有什么影响。据我所知，人们似乎从来就没有意识到，有时候的满月会比其它时候要明亮30%。

下面，让我们来聊聊太阳。地球绕太阳旋转一周需要365.2422天。其轨道，正如实际的那样，几乎是圆形，以致于太阳与地球之间总是大致保持着相同的距离。太阳到地球的平均距离，中心至中心，大约为149.6百万公里（93.0百万英里），或者是月球到地球距离的389倍。

但是地球的轨道也不是一个完美的圆形，它有轻微的椭圆度。地球轨道的椭圆度要比月球轨道的椭圆度要小。轨道椭圆的程度可以用其“偏心度”加以表示。圆的偏心度为零，而是月球椭圆轨道的偏心度为0.055，正如你所知道的那样，距离零并不远。而地球椭圆轨道的偏心度则只有0.0167。

但是，即使是这微小的地球轨道的偏心度，也意味着地球与太阳之间的距离在一年的过程中会发生可以测量到的变化。当地球处于“perihelion（近日点）”（“靠近太阳”），太阳与地球的距离为147.1百万公里（91.4百万英里）。而在“aphelion（远日点）”（“远离太阳”），太阳与地球的距离则为152.1百万公里（94.5百万英里）.

距离差为5.0百万公里（3.1百万英里），这仅仅是其平均距离的5.4%。与月球变化的距离相比，太阳变化的距离差百分比更小，这说明地球的轨道比月球的轨道偏心度更小。

变化的太阳距离，可以反映在天空中太阳的视尺寸上。当地球位于近日点时，太阳的视直径为32.60弧分；而当地球处于远日点时，太阳的视直径只有31.63弧分。这样，在近日点，太阳外形要宽3%，换成视面积相应要大6%，这意味着，太阳在近日点产生的光和热比在远地点要多6%。

然而，如果在近地点满月时所增加的30%的月球光亮未能引起人们的注意，你可以确信，在近日点增加的6%的太阳光亮完全可以被人们忽略掉。（尤其在这个时代，远地点到来的时候恰巧是北半球的冬季，而人类大多数都居住在北半球。此时的太阳在天空中处于较低的位置，并且在地平线以上停留的时间更短，因此，太阳增加的光亮更容易被忽略掉。）

即使是这样，在最近几十年内，这一近日点-远日点距离差，连同岁差以及地球轨道偏心度和轴向倾斜轻微的周期性变化，一直被认为是地球气候长期波动的原因（包括冰河时代的产生）。但这个问题我们在此不需要去讨论。

现在我们可以看看火星了，火星完全是另一个反面。因为月球围绕地球转动，而地球又围绕太阳转动，这两个天体在天空中似乎都形成了大致圆滑的环路，相对于恒星的背景，它们以几乎稳定的速度在运动（如果不考虑地球自转的影响）。

然而，火星虽然也像地球一样围绕太阳旋转，但是以不同的距离和不同的速度，这样就有了两种不同的轨道，而不是一种。这意味着，火星在天空中的视运动比月球或太阳的视运动要复杂得多。

地球与太阳的平均距离为149.6百万公里（93.0百万英里），而火星与太阳的平均距离为228百万公里（142百万英里）。这意味着火星与太阳的距离是地球与太阳的距离的1.52倍，而在轨道上移动时，火星行走的距离则是地球穿越距离的1.52倍。

此外，由于比火星更接近太阳，地球受太阳引力的影响更大，并且地球在其较短的轨道上比火星在较长的轨道上行走得更快。地球绕太阳转动，移动的速度平均为每秒钟29.79公里（每秒钟18.51英里），而火星绕太阳转动，移动的速度平均为每秒钟24.13公里（每秒钟14.99英里）。因此，火星绕太阳一整圈所花的时间，比你按照其较长的轨道所预期的要更长。地球绕太阳一周需要365.2422天，而火星绕太阳一周则需要686.98天，或者是1.88个地球年。

这意味着，地球和火星都在相同的方向上围绕太阳向前跑，但地球永远都比火星快，跑在前面，跑完一整圈之后，又从后面追上来，再次赶超火星，如此反复，在两个天体存在的几十亿年间，周而复始。

这又进一步说明，在地球追上火星，并正要超过它的那一瞬间，火星最接近地球。此时，两者都位于太阳的同一侧，而在超越点处，从地球向太阳作一条线，如果能延长的话，该线也将穿过火星（见图2）（假设两颗行星都在同一平面内移动，但实际并不是）。

图2 冲位置和合位置的火星

从地球上看去，在超越火星的一瞬间，午夜的火星最靠近天顶，相对于太阳的位置正好在地球的另一侧。由于火星和太阳处于地球相反的两侧，那么就可以说火星处于“冲”的位置，而在冲的位置火星距离地球最近。

当地球通过冲的位置，追赶上火星之后，它又会离火星越来越远。最后，它在太阳的相反侧远远跑在了火星的前面。在这一点处，地球与火星之间的距离达到最远。而此刻的火星则在太阳的另一侧，从地球上看去，火星在天空中似乎来到了距离太阳非常近的地方。火星和太阳处于“conjunction（合）”（拉丁语，意思是“拼合在一起”）的位置。在合的位置，地球和火星之间的距离最远。

如果火星停止不前，地球从冲的位置移动到合的位置恰好需要半年时间，而需要另外半年时间再返回到冲的位置。但是，火星也在独自往前跑——尽管跑得不及地球快，但也快到足以让地球在超过火星一整圈的追赶中，需要花上相当长的时间。

实际上，地球要超过火星一圈，或者从一个冲的位置到下一个冲的位置，平均需要花上779.94天（2.137年）的时间。

现在假设地球和火星都以圆形轨道绕太阳转动。在这种情况下，在冲的位置，火星到地球的距离应为火星到太阳的距离减去地球到太阳的距离。结果为78百万公里（48.5百万英里）。

在合的位置，地球和火星处于太阳相反的两侧，它们之间的距离为78百万公里（48.5百万英里）加上地球轨道的整个宽度（如果不是太明白的话，可以参照图2）。此时地球和火星之间的距离为377百万公里（234百万英里）。

火星和地球之间的距离，在合的位置是在冲的位置的距离的4.8倍，而火星在冲的位置的亮度是在合的位置的亮度的大约23倍。

毫无疑问，这回应该足以让人们注意到了。

但这种说法对，也不对。在冲的位置，火星高挂在天空中，整夜都能看到。但是，在其通过冲的位置时，它会离太阳越来越近，在夜晚能看到的时间就会越来越少。最终，它会被太阳的光芒所淹没，在夜空中根本就看不见了，或者仅能够在黎明或黄昏时被看到。

火星因此开始变得不再那么显眼，这不仅是因为它变暗了，而且是因为它慢慢离开了夜空。对于不是天文学家的人来说，这两个原因可能容易混淆。

然而，地球和火星的轨道都不是圆形。不可否认，地球的轨道接近圆形，但是火星的轨道距离理想的圆形还差得相当远。正如我在前文中所说的，地球轨道的偏心度为0.0167，而火星轨道的偏心度达到了0.0934，这甚至比月球的都要大得多。

这意味着，火星在远日点距离太阳249百万公里（155百万英里），而在近日点距离太阳只有207百万公里（129百万英里）。距离差为42百万公里（26百万英里），这是火星与太阳之间平均距离的18.4%。

为了简单起见，假设我们将地球的轨道考虑为一个圆（它实际也非常接近圆形）。

如果冲发生在火星远日点，那么地球与火星之间的距离为249-149=100百万公里（62百万英里）。如果冲发生在火星的近日点，地球与火星之间的距离则为207-149=58百万公里（36百万英里）。由于地球的轨道不完全是圆形，最小的距离又可能会小到55.5百万公里（34.5百万英里）。

现在，让我们先忘掉太阳。只考虑冲，当火星高挂在天空中，并整夜都在天空中的时候，以及当太阳正好在地球的另外一侧的时候，火星在这样一些冲的位置，会比在其它冲的位置更加接近地球（见图3）。

图3 近日点和远日点的火星冲

鉴于此，在近日点的火星处于冲的位置时，它的亮度是在远日点处于冲的位置时的亮度的3.25倍。这是可以让人们注意到的。

由于颜色的问题，这一可注意度尤其重要。两颗最亮的行星，金星和木星，颜色为白色。而当火星在近日点处于冲的位置时，它实际上比木星还要明亮一点，但颜色明显为红色。它其实是天空中最明亮的红色物体。

我们知道，火星的红色是因为其土壤富含铁，以致于我们看到的是一颗近乎生锈的行星。但是，对于在铁器时代之前观察天空中火星的古人来说，在他们还不熟悉铁锈的时候，这种颜色只能意味着一种东西——鲜血。

从任何系统意义上来说，苏美尔人都是星空的最早观察者，难怪他们将这颗行星命名为尼格尔（Nergal）（他们的战争、毁灭和死亡之神）。希腊人遵循了将这颗行星按照他们自己的战神——阿瑞斯（Ares）来命名的传统，而罗马人则按照自己的战神将其称为Mars（火星）。我们沿用了罗马人的名称。

人们将天空中照耀在自己身上的，一颗颜色血红，带有象征战争、毁灭和死亡名字的天体视为邪恶和威胁，是一件十分自然的事情。每隔一年，火星就像一颗红色的宝石一样穿过夜空，并且每隔一段时间，它又会变得特别明亮。在那些明亮的时期，当它在近日点或在近日点附近处于冲的位置时，如果人们因为看到它心脏变得脆弱，并且幻象会出现最坏的情况，就不足为奇了。

当然，这纯粹是迷信，但这种迷信对人们心智的控制，却远胜于冷静的理由对人们心智的控制。

即使在明白了天文学上的这一番事实之后，并且火星作为战神的概念已经退变成一个神话中的物体时，人们仍会将火星与邪恶联系在一起。

1965年之前，天文学家非常兴奋地观察到了火星冲的现象。对于他们来说，并没有迷信的恐惧，而是充满着巨大的希望。在1608年望远镜被发明出来后，通过望远镜观察火星成为可能，人们也就能够比单用肉眼看到更多的东西。在冲的位置，当火星距离最近时，人们看到的火星比别的时期更大、更清晰，而在近日点发生冲时，人们看到的是最大、最清晰的火星。

每隔大约三十一年，火星会在近日点或非常靠近近日点处于冲的位置，此时天文学家们会架好他们的望远镜，准备进行观察，这让人们无比兴奋，也就进入了公共媒体的视线。然后人们会对“火星正在靠近”惊叹不已，并且或许也会对此感到一丝紧张。

当然，在火星每次接近时，望远镜、分光光谱仪、摄影技术等等，相比上一次接近时的情况，都会取得一些进步。因此，每次都总是会有机会能将火星表面的斑纹看得比以往任何时候都清楚，也可以更明确地绘制火星地图，并且还可能会有预料之外的发现，诸如此类。

1877年，当火星接近地球时，美国天文学家阿萨夫·霍尔（Asaph Hall）（1829-1907）抓住机会进行了一项深思熟虑的研究，寻找可能恰巧非常靠近火星的卫星。（它们应该非常小，非常靠近，否则应该早就被发现了。）8月11日，正当他准备放弃时，他的妻子安吉丽娜·斯蒂尼·霍尔（Angelina Stickney Hall）说道，“阿萨夫，再坚持一晚上吧。”他照此做了，结果发现了两颗卫星，他将它们按照战神的儿子的名字分别命名为Phobos（“害怕”）（火卫一）和Deimos（“恐惧”）（火卫二）。

在同样一次火星冲的过程中，意大利天文学家吉奥瓦尼·弗吉尼亚·斯奇帕雷利（Giovanni Virginio Schiaparelli）（1835-1910）绘制了比以往更好的火星地图。他注意到了一些狭窄的暗线，并认为是河渠，就将它们称为“canali”（意大利语的“河渠”，任何类似于英吉利海峡那种狭窄、自然伸展的水道的称谓）。

但是，这个词被翻译成英文的“canal（运河）”是个严重的错误，因为canal适用于人工水道。立刻，许多不是天文学家的人（以及一些天文学家）都认为这是火星上发现生命的证据。不仅有生命，而且它们还有能够建造运河的先进技术。

毕竟，火星是一颗较小的行星，其表面的重力只有地球的五分之二，这样它可能在慢慢地失去水。运河的建造就是为了将水从极地冰帽带到火星上温暖部分的农业用地。

美国天文学家帕西瓦尔·罗威尔（Percival Lowell）（1855-1916）接受了这一观点。他在亚利桑那建立了一个天文台，这里可以通过沙漠高地上稀薄、干燥的空气很好地观察火星。他发表了显示火星上运河纵横交错，并在绿洲汇合的地图，他还写了几本书，宣称火星上有高级生命存在。

多数天文学家对此表示怀疑，但是一般公众却大加赞赏。他们不仅接受了火星高级生命的理念，而且还接受了血红色的火星还在继续发挥其影响力，并且火星生命被认为是邪恶的这一古老的迷信。

1898年，英国作家赫伯特·乔治·威尔斯（Herbert George Wells）（1866-1946）就此主题发表了《世界大战》一书，据我所知，这是第一本关于星际战争的书。作者把它当作了一种社会讽刺。欧洲的国家，尤其是英国，刚刚完成了对非洲的瓜分，而没有考虑到非洲人。威尔斯描绘了火星人在英国着陆，并接管了英国，而没有考虑到英国人。

但是，一般公众却忽略了这种讽刺效果，而是完全将注意力放在了火星人入侵的恐怖画面以及火星人邪恶的本性上。

这本书紧紧抓住的东西几乎成了这类科幻小说中的一种惯例：火星人技术先进，远超地球，但是它们都是堕落和邪恶的，并且由于它们的行星正濒临死亡，它们强烈渴望征服地球。

我不知道在1900年至1965年之间人们究竟写了多少有关火星人入侵的故事，但是事实上，每个人都不知不觉地尽了自己的一份力量，来支持邪恶的火星这一长期的迷信观点——它的产生仅仅是因为这颗可怜的行星是铁锈色的，并且离我们足够的近，以致于在其接近地球时，能显示让我们看到它的铁锈色。

即使是到了1938年（几乎正好在我写这篇短文的五十年之前），保留在人们头脑中的火星人入侵的危险画面依然很清晰。1938年10月30日，奥森·威尔斯（Orson Wells）（1915-1985）制作了一个将威尔斯的小说戏剧化的广播节目。他将火星人着陆的地点由英国搬到了新泽西，并通过虚构的新闻简报和政府公告的方式讲述了这个故事，这就像那些描述上个月战争恐慌的节目一样（该战争恐慌以西方阵营在慕尼黑向希特勒投降而告终）。

威尔斯很清楚这个故事是虚构的，但是大量的新泽西人却陷入了恐慌，在他们试图躲避火星人的入侵时，甚至还造成了高速公路的拥堵。

在有关火星的采访中，当我被问及对1938年入侵恐慌事件的感想时，我对此感到有点愤愤不平。

我说道，“你告诉人们臭氧层正在枯竭，森林正在被砍伐，沙漠正在稳步推进，温室效应将会把海平面提升200英尺，人口过剩正让我们窒息，污染正在杀死我们，核战争可能毁灭我们——他们却打着哈欠，想安顿下来睡个舒服的小觉。而你告诉他们火星人正在着陆，他们则边叫边跑。这难道不令人感到悲哀吗？”

这段话在编辑过程中被删去，没有被播放。

直到斯奇帕雷利在不知不觉中将其开启近九十年之后，邪恶火星的神话故事以及它们先进的技术才走到了尽头。

1964年11月28日，火星探测器水手4号发射了。1965年7月14日，它在距离火星表面不到10，000公里（6,200英里）处掠过火星，拍摄了二十张系列照片，并发回地球。这些照片上没有显示任何运河。只有环形山，看上去和月球上的环形山非常相似。

接下来又发射了其它探测器，到目前为止，我们已绘制了详细的火星地图。在火星表面，不仅有环形山，还有死火山、一条巨大的峡谷、一些混乱的地形、一些看上去完全像是干涸的河床的斑纹以及冰帽（它们至少部分是由干冰组成的）。火星还有非常稀薄的大气，其中含有的氧气不值得一提。

火星上没有任何运河的迹象，没有任何液态水的迹象，也没有任何生命的迹象。

那么现在，如果火星接近地球又有什么关系呢？没有任何专业的天文学家会试图通过望远镜观察它，再去发现火星的任何东西。探测器告诉我们的已经远远超过地球上望远镜能够告诉我们的，而任何进一步的重要信息，不管怎样都一定会来自未来载人或不载人的的探测器。

不可否认，对于业余天文学家，在这几次火星接近地球时去观看火星仍然很有趣。他们将看到比往次更大、更清晰的火星球体。

这不会出现任何问题，也没有理由去感到敬畏，或去产生一些模糊的预感，或叫人来解释这一可能被认为是可怕的或怪异的现象。

就是说，除了那个已经5000多年老朽的，并且从一开始就毫无根据的迷信之外，再没有任何其它理由能让你去感到恐惧。

（作者：艾萨克.阿西莫夫（Isaac Asimov），译者：劲松）

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