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持续50多年的阿波罗史诗月球实验——月球激光实验

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1969年,阿波罗11号宇航员将这个反光镜留在月球表面。(图片:NASA)

在阿波罗号宇航员将其送上月球表面50年之后,一项史诗般的月球激光实验仍在进行当中。

50年前的7月,阿波罗11号任务宇航员在月球表面安装了几个特殊的反光镜。1971年的阿波罗14号和15号任务宇航员也在月球表面安装了这些特殊的反光镜。(另一个由法国制造的反光镜安装在苏联的Lunokhod 2号月球车上,该月球车于1973年在没有宇航员的情况下着陆。)

月球与行星研究所(LPI)在一份声明中解释说,美国宇航局的这个实验名为激光测距反射镜实验,这种反射镜是“一种特殊类型的镜子,它可以将入射光束反射回其入射方向。”该研究所补充说,这种反射镜是测量地月距离的关键。

反射器依靠天文台向月球发射激光束工作(主要是德克萨斯州的麦克唐纳天文台,不过也有很多其他天文台参与其中)。该研究所解释说,尽管存在一些分散,但“它们(激光)在很远的距离内都可以保持紧密聚焦。”当光束从镜子反射回地球时,它的直径已经扩大到12英里(20公里),这种光束分散现象让科学家们更难观察到反射。

这个反射器本身不需要任何能量,这就是为什么在月球上的其他仪器停止工作几十年后,它还能在工作。据美国宇航局喷气推进实验室(JPL)称,该仪器包括100个“角立方体”(或熔融二氧化硅半立方体),它们被放置在一个18平方英寸(46厘米平方)的铝板上。正是得于这些角立方体的形状,任何射向它们的激光都会按原路反射回去。除此之外,多年来,更好的激光和计算设备也改善了月球距离的测量。

JPL说:“一旦激光束击中反射器,天文台的科学家们就会使用灵敏的过滤和放大设备来检测任何返回信号。这些反射光太弱了,用人眼根本无法看到,但在良好的条件下,这些设备每隔几秒钟就会接收到一个光子,即光的基本粒子。”

为了解析这种微弱的信号,天文台必须进行几个小时以上的观测。喷气推进实验室说,通过平均这些信号,研究人员可以精确计算出地月的距离,误差不到1英寸(2厘米)。考虑到地月平均距离为238855英里(384400公里),也就是地球直径的30倍左右,这个误差幅度已经很小了,要知道,遥远的地月距离使阿波罗号宇航员花了三天时间才飞到月球。

虽然这个实验是最著名的是它对地月距离的测量,但美国宇航局喷气推进实验室一名参与了实验的科学家James Williams在2009年的采访中说,研究人员还用这些实验数据表明,月球的核心呈液态,而且这颗地球天然卫星正在慢慢远离地球。

激光往返的时间提供了支持爱因斯坦广义相对论的证据。该理论认为,在某种程度上,真空中的光速与任何观察者的运动都无关。NASA称,该实验还表明,艾萨克·牛顿的引力常数极其恒定,在1969年至2004年间,其变化小于1000亿分之一。

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