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簡單而又具挑戰性的科學實驗:在地球和月球之間穿梭的激光束


量子認知百家榜創作者,學者代表作:戒癮論,優質創作者如果在地球上向月球發射激光束,在月球上安裝激光束反射器,然後在地球上再接受這一激光束反射...

- 2020年11月30日13時55分
- 科學文摘 / 量子認知

百家榜創作者,學者 代表作: 戒癮論,優質創作者

如果在地球上向月球發射激光束,在月球上安裝激光束反射器,然後在地球上再接受這一激光束反射,這樣的科學實驗是不是很有趣?這是NASA所做的科學實驗。

1971年,阿波羅14號宇航員在月球上安放了如下圖所示的激光反射板。

這是一個原理頗為簡單的實驗:將一束激光束對准反射器,並記錄激光返回所需的時間。數十年來進行這一測量導致了重大發現。問題是,發射到月球上的反射器與吸收到月球上所反射到地球的激光束實在具有挑戰性。

在過去的十年中,科學家數十次在與地球距離約38萬5千公裏的這個反射器上發射激光束。他們今天宣布,第一次終於收到了激光信號回饋,這一令人鼓舞的結果可能會增強用於研究宇宙物理學的激光實驗。

所得到的實驗結果與挑戰之一是:地球和月球以如人類指甲生長的速度,即每年3.8厘米的緩慢速度漂移開,差距的擴大是兩個星體之間引力相互作用的結果。

現在月球上安裝有五個反光板。阿波羅11號和14號分別在1969年和1971年裝了兩架個,每個由100面鏡子制成。這些反光鏡可以將光反射回任何方向。1973年,阿波羅15號宇航員裝了另一個帶有300個角的面板。名為Lunokhod 1和2的蘇聯機器人漫遊車分別於1970年和1973年降落,裝了另外兩個反射鏡,每個反射鏡各有14個鏡子。

專家懷疑,隨著時間的流逝,塵埃可能會沉積在這些反射器上,可能由於微隕石撞擊到月球表面而引起的。灰塵可能會阻擋光到達反射鏡,並使反射鏡絕緣並使它們過熱並降低效率。科學家希望使用反射器來確定是否如此。如果發現反射器返回的光與表面反射器之間存在差異,則可以使用計算機模型測試是否是灰塵或其他原因。無論是什麼原因,科學家都可以在數據分析中說明原因。

通過測量激光反射回所需的時間,平均約2.5秒,研究人員可以計算出地球激光站與月球反射器之間的距離,該距離測定誤差可以小於幾毫米,這大約是橙皮的厚度。

除了地月漂移以外,在很長一段時間內並在多個反射器上進行的此類測量還顯示出月球具有流體核心。科學家可以通過監視月亮旋轉時的最小擺動來判斷。了解月球的內部具有重要意義,涉及月球的演化,並解釋月球磁場的時機以及它如何消亡。

對反射面板來說,科學家必須首先需要指出每個月球的精確位置,該位置會隨著月球軌道的變化而不斷變化。然後,激光光子必須在地球厚厚的大氣層中傳播兩次,這會使它們散射。

因此,最初到達地面幾米寬的光束在到達月球表面時可能會擴展到兩公裏以上,而在反彈時會更寬。這意味著從地球發射的光子有千分之二的機會到達阿波羅11號反射器。根據一些估計,對於設法到達月球的少數光子而言,它們將其返回的可能性甚至更低,概率為2.5億分之一。

特別是到達反射器更具挑戰性。激光站的天氣也會影響光信號,太陽、月亮和地球的排列也會受到影響。所以在過去十年中曾進行過多次嘗試,但一直無法到達反射器。現在終於成功地接收到約200個光子。

看起來這似乎不多,但是隨著時間的流逝甚至幾個光子也可以幫助回答許多問題。成功返回激光束還顯示了使用激光精確監視地球和月球軌道以及使用許多小型反射鏡(可能安裝在NASA的商業月球著陸器上)的希望。

所以科學家們看到新的和改進的反射器探測更多月球區域的希望。有的則希望在全球範圍內增加更多配備紅外激光器的設施,這些激光器可以從不同角度向月球發出脈沖信號,從而可以進一步提高距離測量的精度。科學家們說,諸如此類的激光測距新方法可以確保基礎研究得以延續。


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