1969年7月，阿波罗11号宇航员巴兹·奥尔德林（Buzz Aldrin）俯视“宁静海基地 (Tranquility Base) ”。奥尔德林将激光反射器阵列布置在宇航员和月球着陆器之间。 （图片来源：NASA）

阿波罗11号主要因其技术成就被大众所铭记——月球土壤上的第一枚脚印就是其缩影——但它也是一项科学里程碑。1969年7月20日，当尼尔·阿姆斯特朗（Neil Armstrong）和巴兹·奥尔德林（Buzz Aldrin）走出“鹰”号登陆车时，他们安装了几个小型测量装置，包括地震仪，太阳风粒子收集器，和能反射激光脉冲射线的反射器阵列。这些仪器以及随后阿波罗任务带上的其他仪器在人类离开后仍然留在月球上。它们提供了一系列关键结果，如观测第一次月震和探测月球内部的构造。来自伦敦大学（the University of London）的行星科学家Ian Crawford说：“阿波罗的科学遗产是巨大的，也构成大部分我们对类地行星的理解。”

对物理学界而言，阿波罗科学项目最大的回报来自与反射阵列，这是月球激光测距（LLR）实验中的一部分。50年来，科学家一直向反射阵列发射激光脉冲，高精度测量地月距离。月球激光测距（LLR）研究项目将月球视为一个庞大的质量试验，在前所未有的水平上测试了引力理论的预测。由于这些试验的成功，现在革新的LLR的反射阵列计划制造商业登陆器返回月球。其他物理相关的项目，例如月球远端的射电望远镜，或许在能在未来的载人项目中运载。与阿波罗时代一样，探索我们星球的宇宙同伴将持续给物理研究提供新的机遇。

月球激光测距已经50年了

第一个月球激光测距（LLR）阵列是在阿波罗11任务期间布置的，但其他的阵列是在阿波罗14和15号任务安装的，也是苏联机械月球项目（robotic Luna program）的一部分。阵列由14到300个反射镜组成，每一个都是一块长得像切掉一角的实心玻璃立方体。进入反射镜中的光会在3个相互垂直的背面反射，并沿其原来的位置射出。地球上的研究人员测量这趟往返（激光脉冲从反射镜反射回来，回到地球上的探测器）所需的时间大约为2.5秒，。1969年8月1号，加利福尼亚州的利克天文台（Lick Observatory）记录了第一次激光反射实验，从这之后，美国、苏联、法国和其他地方的其他几个设施都使用了月球激光测距（LLR）阵列。

由于反射阵列无需消耗能量，所以它们成了唯一一个仍在月球上运转的宇航员安装的设备。2005年开始的阿帕奇波因特天文台（Apache Point Observatory）月球激光测距项目（APOLLO）的首席调查员，加利福尼亚大学圣地亚哥分校（the University of California, San Diego）的Tom Murphy说：“月球激光测距（LLR）实验研究之长令人惊叹，它给我们留下了令人印象深刻的结果。”Murphy和他的同事从新墨西哥州南部的山顶上向月球上5个月球激光测距（LLR）阵列中的一个发射100皮米激光脉冲，并捕捉返回的光。这种效率很低：每发射个光子，大约只有1个光子能完整返回到探测器。但是即使只能探测到这么一点光子，研究人员仍可以测量光子这趟旅行的时间，并从中测定大约精确到毫米级的地月距离。

在2014年的月食中，新墨西哥州阿帕奇点天文台的一束激光瞄准了阿波罗15号的反射阵列。 （图片来源：D. Long/阿帕奇山天文台）

像其他月球激光测距项目（LLR）的研究人员一样，Murphy的团队也会随时跟踪月球的轨道变化，通过研究这些数据，他们能进行几项引力理论的试验，例如爱因斯坦的等效原理，验证牛顿引力常数的恒定性，以及限制偏离预期的重力定律（重力平方反比定律）。在许多情况下，月球激光测距项目（LLR）提供了任何实验中最精确的测试（鉴2017年11月16日的概要）。

Murphy说：“很幸运我们拥有月亮。”月球离地球的距离恰好能让它基本环绕在太阳的轨道上（月球绕太阳的路径与地球的环绕路径基本无差）。这个惊奇的事实十分重要，因为重力理论测试需要寻找由地球对月球太阳轨道的扰动。如果月球离得太近，那么地球引力将主导月球的运动，并且当前的引力测试将不起作用。如果月球离得太远，那么就没有足够的光反射到地球。Murphy说：“如果我们生活在火星上，对它的卫星火卫一，火卫二运用相同的引力测试就不会那么精确了。”

月球激光测距的革新

阿波罗计划反射镜的研发者，马里兰大学帕克分校（the University of Maryland, College Park）的Doug Currie说，月球激光测距项目预计并不会持续这么久。一个早期的担忧是陨石撞击月球扬起的月球尘土将覆盖反射镜，并将其运作时间压缩在几年内。Currie说：“月球尘土一直是一个问题，但并没像原来预计的那么严重，激光（技术）的发展远比尘土的积累来的快。”

事实上，月球激光测距实验的精度在不断提高，从20世纪70年代的150毫米到现在的几毫米。为了达到更高的精度，科学家不得不处理月球的“平动”，这是月球轨道的一种摆动，这会导致反射阵列相对于地球的观测者而言，会轻微的前后倾斜。Currie解释说：“我们不知道我们观察到的光子是来自阵列的近角还是远角。”这种光子实际路径上的不确定性就将转化为地月距离估计中的误差。

要克服平动的影响，Currie正在研究一个新的项目：下一代月球反射镜（NGLR）。更新后的反射镜被设计为独立结构，而不是阵列，这意味着光子来源于那个反射器将被确定。为了弥补数个反射阵列的集群效应，Currie的团队将下一代月球反射镜（NGLR）设计的比早期的版本更大，使其直径达到100毫米，而阿波罗反射镜的直径才38毫米。使用下一代月球反射镜（NGLR），我们可以以亚毫米精度测量地月距离，这将使研究人员能够寻找到由广义相对论的某些替代方法所预测的月球轨道偏差量。

下一代月球反光镜(NGLR,左)和阿波罗时代版本的反光镜（右）。你可以在这两个反射镜中看到相机的反射,因为它们总是将光线反射回其来的方向。后面的CD信封提供了尺寸参考。 （图片来源：D. Currie/马里兰大学）

回归竞赛

Currie项目在7月1号被选进了美国国家航天航空局的月球商业有效载荷服务项目（CLPS），这些反射镜将在未来几年内登上月球。CLPS项目是美国国家航天航空局与研发月球登陆器的私人公司之间的合作项目。美国国家航天航空局已经委托三家提供商业登月服务的公司提供科学和技术设备，例如一台快速移动的月球车和两台样品采集设备。从大局上看，CLPS计划为美国国家航天航空局的阿耳特弥斯（Artemis）计划奠定了基础，旨在2024年将宇航员送到月球表面，并在2028年建立一个适合人类可持续生存的基地。与此同时，中国和印度近期都在向月球发射轨道飞船和登陆器。

艺术家对CLPS项目商业着陆器的概念画，在未来几年内，该项目将把美国宇航局选定的仪器送上月球。 （图片来源：NASA）

物理学家能从这场新的太空竞赛中得到什么呢？几个研究人员已经为月球背面的无线电天线争论不休。科罗拉多大学波尔得分校（University of Colorado Boulder）的天体物理学家Jack Burns说：“这就是我们下个十年想到达的地方。”月球背面，永远背向地球的地方，由于它屏蔽了地球通信网络的电磁噪音，所以它是太阳系中无线电最少的地方之一。月球也缺少地球厚实的电离层，因此低频无线电波（低于30赫兹）可以抵达月球表面。

研究人员为测试月球射电天文的可行性做出了许多的努力。中国航天局在“嫦娥4号”航天器上装了一个小型无线电光谱仪，并在今年1月使其降落在月球背面。同样的，由加利福尼亚大学伯克利分校（he University of California Berkeley）的Stuart Bale领导的Burns和他的同事们已经开始进行月球表面的电磁实验（LuSEE），利用低频无线电来接受太阳耀斑活动，木星等其他行星的无线射电。和下一代月球反射镜（NGLR）一样，LuSEE项目也将搭乘一艘CLPS项目的商业登月船登月。

长远目标是利用射电望远镜来研究“宇宙黑暗时代”，即在大爆炸后到第一颗恒星形成约4亿年的时间（见2018年7月2日的《观点》）。理解这个早期纪元将揭示关于暗物质的新信息并允许对宇宙膨胀进行测试，这一理论认为宇宙在大爆炸后先快速膨胀，随后缓慢膨胀。为了探究宇宙黑暗时代，Burns和其他同事，比如巴黎天体物理研究所的Joe Silk，主张在月球背面安装天线阵列。最近在西班牙举行的一次宇宙学会议上，Silk说，这样的天线阵列不会太难建立，它将给下一轮载人登月任务增加更广泛的科学目的。

正如阿波罗计划所证明的那样，科学研究和人类探索可以产生互利的关系：科学有助于让载人任务的成本可以接受，同时宇航员项目的集体努力也给研究以推动。Crawford认为，尽管机器人任务成本较低，但它们完成科学研究的效率较低。他说：“大部分的阿波罗科学任务能被机器人胜任的说法只是在掩人耳目，有些能成功，有些不能，否则大部分的科学研究早就完成了。”