这本书的一个核心思想是，行星系统会演化，会随着时间而改变。更重要的是，每个新的演化阶段都取决于先前的阶段。变化通常是渐进的，需要数百万年甚至数十亿年去改变一个星球的环境，但激烈的不可逆转的突发事件可能在几分钟内永远地改变一个世界。地球就是如此。
从无数零散的碎片到地球形成，这个过程是相对较快的，据估计不超过100万年。在这个过程接近尾声时，几十个直径几百英里的星子与原始地球共享着宇宙中的这片空间。在大约10万年间，我们的星球逐渐接近现在的大小，这个过程的最后阶段发生了一连串不可预料的暴力事件。每隔几千年，就会有一颗迷你行星撞击到原始地球上，然后被整个吞没。
在那个动荡的时期，地球是个发黑的“火球”，上面铺满冒火光的裂缝、冲天的火山岩浆喷泉。流星也不断地撞击。每一次巨大的撞击都直达地球深处，将蒸发的岩石炸飞进入轨道，整个表面变成熔融炽热的岩石泥浆。但是，太空是寒冷的。每次猛烈的撞击之后，地球上没有空气的表面都会迅速冷却，再次变黑。
奇怪的月球
地球起源的故事看起来非常清晰，除了一个引人注目的细节——月球。月球太大了，它完全无法被忽视。在过去两个世纪中的大部分时间里，月球已经被证明是非常难以解释的。小的卫星很容易理解。火卫一和火卫二是两颗环绕火星的不规则岩质卫星，如一座城市大小，似乎是被捕获的小行星。几十个围绕木星、土星、天王星和海王星运行的卫星则要大得多，但与它们的主行星相比，这些卫星还是非常微小，质量还不到所环绕行星质量的千分之一。最大的这些卫星形成于行星成形过程中残余的尘埃和气体，围绕着这些气态巨行星运行，就像微型太阳系中的行星一样。相比之下，月球与它所环绕的地球相比，就显得十分巨大。月球的直径超过地球的四分之一，质量约为地球的八分之一。这种异常现象从何而来？
动荡的世界。此时的地球是一个发黑的“火球”，上面铺满冒火光的裂缝、冲天的火山岩浆喷泉。流星也不断地撞击。每一次巨大的撞击都直达地球深处，将蒸发的岩石炸飞进入轨道，整个表面变成熔融炽热的岩石泥浆
历史性科学，特别是地球和行星科学，取决于创造性的故事（尽管故事本身是基本符合事实的）。如果不止一个故事看起来符合观测结果，那么地质学家就会采取一种谨慎的立场，也就是所谓的“多重有效假说”（multiple working hypotheses），这是任何喜欢侦探小说的人都熟悉的策略。
1969年开启的历史性阿波罗登月使人们得以获取原始月岩，开始对月球内部进行仔细的地质测量；在那之前，针对巨大的月球的情况，有三种主要猜想。第一种被广泛接受的科学假说是裂变理论，它于1878年由乔治·霍华德·达尔文（George Howard Darwin，他远没有他的父亲、博物学家查尔斯·达尔文出名）提出。在乔治·达尔文的设想中，原始的熔岩地球围绕地轴自转得非常快，被拉伸拉长，（在太阳引力的帮助下）最终将一团岩浆从地球表面甩入轨道。在这个模型中，月球是挣脱了地球的枝芽。这个戏剧性的故事有一种富有想象力的变体，其中太平洋盆地成为一种标志——那是地球母亲分娩的伤疤。
第二种具有竞争力的观点是俘获理论，它将月球视为一个独立形成的、较小的星子，在新兴的太阳系中占据着与地球相近的区域。在某个时刻，这两个天体之间的距离足够近，以至于更大的地球俘获了更小的月球，使月球进入了一个逐渐稳定的环形轨道。这种贪婪的引力机制似乎对火星较小的岩质卫星相当有效，那没有理由对地球无效。
第三种假说是共吸积理论，它假设月球在差不多当前的位置由留在地球轨道上的大量残余碎片形成。这种合理想法的依据是我们对太阳及其行星，以及气态巨行星及其卫星的了解。这是一个在太阳系中反复出现的常见现象：较小的天体吸收着尘埃云、气体和较大物体周围的岩石，不断增大。
这三个相互矛盾的假说，哪一个是正确的？喜欢追根溯源的人不得不等待来自月岩的数据——超过840磅重的样本，取自6个阿波罗着陆点。
登陆月球
阿波罗登月计划在许多层面改变了行星科学。当然，它们是美国科技实力和冒险精神的最佳展示。毫无疑问，它们为军工综合体提供了巨大的推动力。它们激发了无数的创新，从微型计算机到高分子材料，再到果珍饮料（Tang），还提供了一种经济的驱动力，带来的效益或许已经远超过任务200亿美元的耗资了。无怪乎说，这些昂贵而危险的早期登月计划的主要诱因，是来自国家自豪感和争夺“高地”的竞赛，而并非月球科学的竞赛。
即便如此，说起阿波罗计划和它们带回的月岩宝藏对我这一代地球科学家的影响，再怎么夸张都不为过。在整个人类历史上，月球都近得诱人，它距离地球不到25万英里。在一个晴朗的夏夜，当泛红的满月升起，你感觉就好像能够伸手触摸到它。但是我们没有样本，也没有任何东西能告诉我们月球是由什么、在何时以及何地形成的。有了第一批月球样本，我们在人类历史上第一次真正地触碰到了月球（今天任何进入史密森尼博物馆的游客都可以）。
我第一次真正见到月球样本是在1969年到1970年的冬天，那时阿波罗11号的历史性任务刚过不到半年，我还是麻省理工学院一个大四的学生。就在几个月之前，1969年7月24日，第一批登上月球的人类返回地球。在月球探索的早期，由于担心受到外来微生物的污染，宇航员及其带回的样本都接受了严格的检疫措施。当他们的登月舱落在夏威夷附近的太平洋上，尼尔·阿姆斯特朗（Neil Armstrong）、巴兹·奥尔德林（Buzz Aldrin）和迈克·柯林斯（Mike Collins）就被“大黄蜂号”航空母舰接走了，他们连同从太空带回的45磅珍贵的岩石和土壤样本被密闭保护在NASA的流动隔离设施中，之后又都被从夏威夷送到休斯敦，到达新的月球收集实验室。在那里，宇航员和珍贵的样本被隔离了近三周，以防真的有什么讨厌的东西跟着他们一同返回了地球。
在接下来的三年里，阿波罗计划接踵而至。1969年11月19日，阿波罗12号登月舱“无畏号”带着宇航员小查尔斯·康拉德（Charles Conrad，Jr.）和艾伦·比恩（Alan Bean）一同登陆月球；一周后，他们在返回时携带了约70磅的月岩和土壤，这些样本被迅速送入休斯敦的检疫设施。幸运的是，我的论文导师——睿智过人、精力充沛的戴维·沃内斯（David Wones）是阿波罗12号月球样本初步调查小组的成员。那一小组科学家有幸冒险用最先进的分析仪器仔细检查了第二批珍贵的月球样本。戴夫[1]是火成岩岩石学专家，他研究的是由岩浆形成的岩石的起源。阿波罗11号和12号取样的月岩都是火成岩，所以他简直就是到了地质学家的天堂。
阿波罗11号登月。1969年7月20日，人类在月球上留下了第一个脚印。“阿波罗号”的宇航员返回地球时，带回的不仅仅是月球上的岩石和灰尘，他们的旅程提供了一种人类从未有过的看待地球的新视角。图片来自NASA从某种意义上来说，这项任务十分艰巨。在一个月的大部分时间里，他与其他几位饱含热情的科学家一起闭关，顶着巨大的压力，从那些最昂贵、最重要的岩石样本中收集确凿无疑的数据。但同时，作为第一批处理来自另一个世界的岩石和土壤的人类，这也非常令人兴奋，太空物质将彻底告诉我们月球的起源。
我第一次近距离看到月球是在戴夫回到麻省理工学院的时候。我记得绿楼的电梯在12层打开。戴夫站在那里，他身材中等，戴着眼镜，身旁是两位强壮的联邦探员，他们穿着制服，带着枪。他们负责保护月球样本。那时，这些样本在收藏家市场上的价格高达数百万美元。一毫克都不能少。戴夫看上去又累又紧张，他已经离开很长时间了，一直受到监视，而他还有工作要做。
当说起月球样本时，大多数人会立刻想到月岩，也许是你可以拿在手里的大块岩石。但“阿波罗号”带回的物质很大一部分是月球土壤，也就是风化层。风化层中最细的部分是粉末状的岩石，这些碎石非常小，以至于你无法在显微镜下分辨出它们。这是一连串宇宙“洗礼”的结果，从强大的小行星到不停歇的太阳风都起了作用。这种“超粉末”有一些奇怪的性质，最明显的是，它能附着在接触到的任何东西上，就像静电复印机的色粉一样。戴夫的任务是把这些粉末从一个2号电池大小的瓶子转移到三四个更小的瓶子中（约有7号电池的大小），以便将样本分发给附近的实验室。
这听起来很简单。只需要将较大瓶里的粉末倒在一张3英寸大小、表面像玻璃般光滑的光粉纸上，再轻轻地把少量粉末舀到小瓶里。戴夫重复过几百次这样的事情，每次不会超过一分钟。但这次的难度要更大。神情严肃的警卫站在两边，一小拨学生也在周围徘徊。戴夫把大瓶子倒过来的时候，他的手有点颤抖。黏性的粉末粘在了玻璃壁上倒不出来。他用食指轻敲了几下，并没有什么用，他又敲了几下。
突然间，所有的月球尘埃一下子全部“噗”地涌出，它们真的只有很小的一堆，大约只有一个好时巧克力的大小，但在当时那种情况下，看起来似乎有很多。灰尘扬了起来，沾在戴夫的手指上，超过光粉纸的边缘撒到桌子上。我们肯定都吸入了空气中一些最细小的微粒。没人说一句话。
这并不是一场灾难，因为几乎没有造成什么损失，粉末最终被成功转移了，联邦探员最终把小份的粉末交给了其他实验室。现在回想起来，我们都觉得这相当有趣。几天之后，在完成转移的实验室工作台上方，我们整齐地裱好了那张3英寸见方的光粉纸，上面有戴维·沃内斯左手食指在月尘中留下的近乎完美的印记。
后来，美国又进行了四次阿波罗登月计划，最后一次是在1972年12月，阿波罗17号登月，并从陶拉斯-利特罗谷（Taurus-Littrow Valley）带回了超过240磅的样本，这片地区被怀疑存在月球火山活动。这是最后一次任务，自此40年来没有人再回到月球。然而，在休斯敦的NASA约翰逊航天中心月球样本大楼的无菌箱里小心保管的月球样本，还有位于得克萨斯州圣安东尼奥的布鲁克斯空军基地的安全备份收藏，仍然为研究人员提供了丰富的研究机会。
在最后一次阿波罗计划结束的几年后，这些样本为我提供了第一份真正的工作，担任卡内基研究所地球物理实验室的博士后研究员。我的任务是检查来自阿波罗12号、阿波罗17号和月球20号（苏联三次无人登月任务之一，带回约三分之一磅的月球样本）的成堆的“细颗粒”。月球土壤的细尘中夹杂了许多泥粉砂大小和沙子大小的颗粒，我的工作就是扫描成千上万的颗粒。我花了很长时间在显微镜前，凝视着绚丽的红红绿绿的小晶体、闪着光的彩色玻璃一样的小球，它们都是经历数十亿年陨石轰击后留下的岩石残骸。
每当我分离出几十个看起来不错的颗粒，我就对每个不寻常的颗粒进行三种分析。第一种是单晶X射线衍射，用来判断我面对的是什么样的晶体。我的研究主要集中在普通矿物橄榄石、辉石和尖晶石上。如果我找到了一个很好的晶体，我会小心地调整颗粒方向，测量它的光学吸收光谱（也就是它吸收不同波长的光的方式）。例如，绿色橄榄石晶体通常吸收红色波长的光，相反，红色尖晶石晶体则会吸收更多绿色波长的光。我还测量了任何不寻常的玻璃球的光谱，观察吸收光谱中有迹象的波动，以发现更稀有的元素，例如铬和钛。一个令人难忘的“灵光一现”的时刻是一个在波长625纳米上发现的小峰值，它微微吸收了红橙色波长，这标志铬元素在月球上的存在，但它与地球上的铬有很大不同。
最后，在完成了X射线和光学操作后，我会用一种叫电子探针的奇特分析机器，来确定样本中元素的精确比例。我一次又一次地证实了其他人的发现：月球表面的矿物虽然在主要元素上与地球相似，但在细节上又大相径庭。月球的矿物包含更多钛元素，铬元素也不尽相同。
阿波罗计划带回的岩石提供了各种线索，它们对月球形成的各种理论提出了严格的限制。一方面，结果证明，月球与地球大不一样，月球的密度要低得多，它也没有一个体积和密度巨大的铁金属核心。地核占据了地球近三分之一的质量，但月球微小的核不到其质量的3%。其次，月岩中几乎没有最易挥发元素的踪迹，这些元素往往在变暖时蒸发。氮、碳、硫和氢在地球表面非常常见，但在月球尘埃中却找不到它们的身影。这些缺失意味着，月球与地球不同，地球被液态水覆盖着，土壤中含有丰富的富水矿物，比如黏土和云母，但阿波罗计划没有带回任何含水的矿物。一定有什么东西曾冲击或炙烤过月球，除去了这些挥发物，因为月球表面现在是一个极严酷干燥的地方。
阿波罗计划的第三个关键发现基于氧元素，或者更具体地说，是氧的同位素分布。每一种化学元素都是由原子核内带正电的质子的数量来定义的。这个数字是唯一的，氧的另一个名字可以说是“有8个质子的原子”。原子核中还有第二种粒子，即电中性的中子。宇宙中超过99.7%的氧原子有8个中子（8个质子加上8个中子生成一种叫作氧-16的同位素），而更罕见的同位素包含9个或10个中子（分别是氧-17和氧-18），后者只占不到1%。
氧-16、氧-17和氧-18在化学行为上几乎相同，你可以呼吸氧的混合物，而不会注意到任何差异，但三者的质量不同。氧-18比氧-16重。因此，无论何时，当含氧化合物从固态变为液态，或者从液态变为气态，质量较轻的氧-16都更容易变动。在动荡的新生太阳系中，这种状态变化司空见惯，它们导致氧的同位素的数量产生变化。结果就是，氧-16与氧-18的比例因行星而异，这一比例与行星形成时距离太阳的位置息息相关。阿波罗计划带回的岩石揭示了月球氧的同位素比例实质上与地球的比例相同。换而言之，地球和月球一定是在距离太阳大致相同的位置形成的。
那么，这些发现对那三个相互矛盾的月球形成假说意味着什么呢？共吸积理论从一开始就陷入了困境。如果月球是由地球的残余物形成的，那么它的平均成分应该是与地球相似的。诚然，月球和地球的确在氧的同位素比例上相匹配，但共吸积理论不能解释铁和挥发物的巨大差异。月球的总成分与地球完全不同，它们不可能是由同一种物质形成的。
成分差异也给俘获理论带来了无法解决的问题。行星运动的理论模型表明，任何被捕获的星子一定是在太阳星云中形成的，它和太阳的距离与地球和太阳的距离大致相当，因此平均成分应该大致相同。但月球不是这样的。当然，一个月球大小的物体可能在太阳星云的另一片区域形成，随后进入了环地球轨道，但是轨道动力学的计算机模型要求这样的月球达到相对于地球来说很高的速度，这让捕获场景几乎不可能实现。
这就只剩下了乔治·霍华德·达尔文的裂变理论。它能成功地解释相似的氧同位素成分（地球和月球是一个系统），以及铁元素的差异（地核已经形成，而形成月球的团块是地球分化出的贫铁地幔的一部分）。它完美地契合了这样一个事实，月球总是以同一侧面向地球，地球的自转和月球的轨道都围绕着地轴旋转，二者是同步的。但一个大问题仍然存在：从月球上消失的挥发物去哪里了？
物理定律同样阻碍了裂变理论的发展。在阿波罗登月计划期间，计算机模拟行星形成的技术已经发展到一定水平，理论学家可以满怀信心地研究快速自转的地球大小的岩浆球体动力学。简单来说，裂变理论行不通。地球的引力太强了，无法将一大块熔化的岩石向外甩入轨道。事实上，熔融状态的地球必须以一个大到难以置信的速度，约每小时一圈绕轴旋转，才能抛出一个月球大小的球体。地月系统根本没有足够的角动量来实现这一点。
也就是说，三种流行的月球形成理论都不符合阿波罗计划后得出的数据。一定还有别的解释。
月岩的证词
行星科学家如果不善于讲故事，就毫无用武之地。阿波罗带回的观测结果否定了他们1969年以前关于月球形成的三个已有假说，但没过多久，他们就从确凿的事实中提出了一个新的想法。阿波罗带来的有关月球成分的新线索提供了一个关键事实，那就是月球或多或少看起来像地球。它和地球有相同的氧同位素成分，大多数主要元素也相同，尽管月球的铁和挥发物很少。这些组成成分的数据必须与我们几千年来所知道的轨道线索合为一体：月球绕地球的轨道与行星绕太阳的轨道，几近在同一平面和方向上。地球的自转轴有23度的倾斜（这就是季节更替的原因）。月球总是同一面对着我们。
早期的月球形成模型往往忽略了地月系统以外的轨道线索，包括一些明显不同于太阳系一般模式的显著例外。首先，金星的自转方向与其他行星相反。这看起来好像不重要，但金星几乎和地球一样大，它的旋转方向居然不对！更奇怪的是巨大的天王星，太阳系中第三大的行星，它的旋转轴是横着的，所以它就好像是在沿着围绕太阳的轨道“滚动”。其他行星的卫星也有奇怪之处。海王星最大的卫星海卫一，其大小与地球的卫星月球相当，它的轨道与海王星的自转形成一个陡峭的角度，这与太阳系其他部分的方向都相反。
科学文化有一个奇怪的方面，可能会让那些没有参与其中的人反感。一方面，我们会提出一些简洁的理论，把许多奇怪的事实放在一起解释。比如，所有的行星和卫星都在同一个平面上围绕太阳向同一个方向运行，这个事实表明它们起源于同一个旋转星云。但随后我们发现了例外，而这些例外被视为奇怪的异常现象。金星的自转方向不对？海卫一的运行方向错误？没问题。它们这些异常现象只是在大框架下偶然发生的。
同样的情况使许多公开讨论变得复杂，比如关于全球变暖的辩论。许多科学家预测，大气环境的改变将使全球平均气温升高几度。但这种变化也可能导致极端的天气，或许意味着美国南部会出现更严重的暴风雪。全球变暖可能会改变洋流，比如湾流，并最终将北欧变成一个更冷的西伯利亚式大冰库。像这样的异常现象助长了全球变暖的反对者的声音：科学家说世界会变得越来越热，但你刚刚经历了你所在的地区历史上最大的一场暴风雪。你该如何回应？一个明智的回答是，自然是令人震惊的，它丰富多样，复杂多变，交错联结，有着混乱而漫长的历史。无论是在行星轨道上，还是在北美的天气中，异常现象都不能被视作可忽视的细节而抛掷一旁，它们恰恰是理解真正发生之事的关键所在。我们发展出了巨大且普遍的模型，来描述自然是如何运作的，然后我们用各种奇怪的细节来完善最初的不完美模型（或者，如果特例压倒了规则，我们将重新整合出一个新模型）。这就是为什么优秀的科学家对异常现象非常着迷。如果我们了解一切，我们能够预测一切，那么早起一头扎进实验室就没有意义了。
在探讨月球的起源问题时，那些不同于整体趋势的例外，即那些细微的轨道异常现象，催生了“大喷溅”或“大撞击”模型的概念，该模型产生于20世纪70年代中期。1984年，在夏威夷召开的一次重要会议上，起初一系列相关但缺乏事实依据的假说融合成了公认的观点。行星形成专家聚集在一起，权衡所有选项。在这样一种令人振奋的环境中，奥卡姆剃刀[2]占了上风。它提出，符合事实的最简单的解决方案很可能是正确的。大撞击刚好符合了要求。
为了理解这个激进的想法，回想一下45亿年前行星刚从众多相互竞争的更小的星子中形成的时候。当地球的直径接近目前8 000英里的大小时，它在一系列巨大的撞击中吞没了几乎所有邻近的剩余天体。地球与数百英里宽的天体发生的倒数第二批碰撞十分壮观，但它们对地球这颗更巨大的原行星几乎没有什么影响。
但并非所有的撞击都是一样的。在地球的历史上，有一件事或说有一天显得与众不同，它比任何其他时刻都更值得纪念。大约45亿年前，当太阳系存在了5 000万年时，黑色的原始地球和一个稍小的行星大小的竞争对手正在争夺太阳系中同一片狭窄的地盘。本来会成为行星的这个较小的天体（名叫忒伊亚，以孕育了月球的泰坦女神命名）已经差不多是行星的大小了，大约是火星大小的2~3倍（或者说约是地球质量的三分之一）。天体物理学中有一条规则：没有两颗行星能共享同一个轨道。它们终会相撞，而更大的行星总是会获胜。地球和忒伊亚也是如此。
越来越接近真实的计算机模拟提供了主要的方法，科学家试图通过这些方法了解可能发生的事情。一次巨大的碰撞是由物理定律所控制的，因此人们可以在各种初始条件下进行成千上万次模拟，看看最终是否会产生月球。答案与初始参数密切相关：原始地球的质量和成分、忒伊亚的质量和成分、它们的相对速度，以及撞击的角度和位置。大多数组合根本行不通，月球不会形成。但有几种模型出乎意料地成功，并产生了一个地月系统，极像我们今天看到的样子。
美国自然博物馆中展出的一块月球岩石，由阿波罗16号宇航员采集
在一个经常被描述的版本中，这次撞击被视为一次坚实的擦边侧击，巨大的忒伊亚将更大的地球撞得微微偏离中心。从太空中看，这个过程像是以慢动作播放的。在接触的那一刻，两个世界似乎一开始是在轻轻地接吻。接下来的四五分钟里，忒伊亚就像一个软面团甩在地上一样被砸烂，地球却没有受到太大影响。10分钟后，忒伊亚几乎被压扁，而地球开始变得没那么圆。碰撞发生半小时后，忒伊亚被完全抹去，而受伤的地球也不再是一个对称的球体。炙热的岩石蒸发了，从裂开的伤口中喷出发光的液体，遮蔽了被破坏的世界。
另一个被广泛引用的设想，最早在20世纪70年代被提出，并在接下来的20年间不断完善，提出者是哈佛-史密森尼天体物理中心的理论学家阿拉斯泰尔·卡梅隆（Alastair Cameron）。在他引人注目的猜想中，忒伊亚的质量约为原始地球的40%。同样，一次偏离中心的撞击发生了，但在这个版本中，忒伊亚几乎猛撞地球并反弹出去，形成一个细长的团块，然后又被拉回来受到致命一击。经过这第二次撞击，忒伊亚永远地消失了。
无论是哪种情况，这场灾难都毁灭了忒伊亚，它蒸发成一片巨大而炽热的云层，温度高达数万度，将地球环绕了起来。忒伊亚也造成了明显的伤害。相当大一部分地壳和地幔同样蒸发了，并向外喷发，与忒伊亚散落的残余物混合在一起。一些物质逃逸到了外太空，但大部分留下的残骸被地球强大的引力束缚在轨道上。在这片翻滚的云中，来自两个天体核心的致密金属混合并冷却成液体，下沉形成一个更大的新的地核。地幔物质同样混合并蒸发，蒸发的岩石形成了地狱般炽热的云层，包围着整个地球。在数天或数周的剧烈变动里，地球经历了一场持续的降雨，但雨滴是炽热的橙色硅酸盐液滴，这些液滴与一个无边无际、赤焰闪闪的岩浆海洋融为一体。最终，地球俘获了曾经的忒伊亚的大部分物质，形成了一颗更大的行星。
但是，忒伊亚并没有被整个俘虏。从太空中看，地球被大量岩石碰撞形成的碎片包围着，这些碎片大多是两个行星幔的均匀混合物。冷却的岩质液滴粘在一起，体积较大的团块会把小的团块一网打尽。最初形成行星的引力聚集过程在极短的时间内重演，月球迅速合并，可能在几年内就达到了现在的大小。
地球-忒伊亚大撞击。忒伊亚与年轻的原始地球发生了巨大的碰撞，忒伊亚的大部分被地球吸收，被撞裂的一部分则飞向宇宙，其残骸汇集到一起形成了月球
行星形成的物理机制决定了月球可能在哪里形成。每一个巨大的天体都有一个看不见的环层范围，叫作洛希极限，在这个极限内由于引力太大，而无法形成卫星。这就是为什么土星有巨大的光环，但在其表面5万英里范围内没有卫星。土星的引力阻止了这些冰颗粒聚集成一个卫星。
从旋转天体的中心计算，地球的洛希极限大约是11 000英里，或者说距离地表约7 000英里。相应地，月球形成模型将新的卫星定位在约15 000英里的安全距离上，在那里，它能够通过合并大撞击后散落的大部分碎片，而有序地生长。因此，据大多数估计，大约在45亿年前，月球诞生了。地球有了一个同伴，它的大部分是由地球自身的碎片组成的。
科学家很快接受了大撞击理论，因为它比任何其他模型都能更好地解释所有主要线索。月球缺少一个铁核，因为忒伊亚的大部分铁被卷进了地球内部。月球缺少挥发物，因为忒伊亚的挥发物在撞击过程中被吹走了。月球总是同一面对着地球，因为地球和忒伊亚的角动量耦合成了一个旋转系统。
大撞击同样有助于解释地球不同寻常的约23度的轴倾角，这个事实在之前任何情况下都没有得到很好的解释。忒伊亚的撞击确实使地球倾斜了。事实上，当意识到月球由巨大的撞击所形成时，人们开始对太阳系中其他行星的异常现象进行猜测。也许更晚些时候，类似的大撞击事件更为常见，甚至成为必要。也许这就解释了为什么金星的自转方向不对，以及为什么它失去了那么多的水。也许就是晚期的一次巨大撞击事件导致了天王星“躺着”旋转。
不同的天空
月球形成是地球历史上的一个关键时刻，其带来的深远影响令人惊叹，直到现在这才成为焦点。45亿年前的月球并不是我们今天看到的这个浪漫的银色圆盘。很久以前，它对地球近地表环境的影响更为突出和明显，造成了难以想象的破坏。
所有这些都归结于一个惊人的事实：月球形成于距离地球表面只有15 000英里的地方，这段距离并不比从华盛顿特区飞往澳大利亚墨尔本远多少。相比之下，今天的月球距离地球有239 000英里。乍一看，巨大的月球似乎完全不可能像这样离地球越来越远，但测量结果不会骗人。“阿波罗号”的宇航员在月球表面留下了闪亮的镜子。从地球发射的激光束到达月球后，会由镜面反射回地球，这样的距离测量能精确到一英寸以内。自20世纪70年代初以来，月球每年都会移动得更远，速度为平均每年3.82厘米，大约1.5英寸。这听起来不算多，但这个数字会随着时间不断累积。按现在的速度计算，每4万年就会增加1英里。如果我们倒带回放，会发现45亿年前的情况完全不同。
首先，月球看起来完全不同。在15 000英里远的地方，直径2 160英里的月球看起来就是个庞然大物，那是我们从未见过的样子。它在天空中有近8度的弧度，大约是太阳视直径的16倍，它呈现在天空中的面积是今天月球的250多倍。
差别还不止这些。早期的月球是一个狂暴的天体，到处是剧烈的火山活动，和我们现在看到的静态的银灰色天体全然不同。它的表面看起来应该是黑色的，从地球上能看到上面的裂缝和火山盆地，其中充满了滚烫的赤色岩浆。原始的满月同样引人注目，月球表面反射的阳光是现代月球的数百倍。在明亮的月光下，你可以轻松地看书，但天文观测就变成了不可能。在年轻的月球强烈的眩光下，夜晚看不到任何恒星或行星。
更戏剧性的是接下来事态发展得有多快。在太空中，由于没有摩擦，旋转的物体会持续旋转数十亿年。像地月系统这样的旋转系统具有角动量的性质，这个量是由两个彼此靠近的圆周运动的组合测量出的。首先是地球围绕地轴的自转，地球自转得越快，它拥有的角动量就越大。相比之下，月球的角动量主要取决于它绕地球运行的距离和速度。它自身的自转不是方程的重要部分。
地球自转加上月球公转的总角动量在过去几十亿年间没有显著变化，但是这两个运动的相对重要性已经发生了很大变化。今天，地月系统中几乎所有的角动量都来自公转的月球。月球离地球的距离是239 000英里，公转周期为29天。位于中心质量更大的地球，每天有24小时的悠闲时光，它的角动量只是月球的很小一部分。（类似地，遥远的气态巨行星几乎承载了太阳系所有的角动量，尽管位于中心的太阳质量占了太阳系质量的99.9%。）
但45亿年前的情况大相径庭。由于月球距离地球只有15 000英里，一切都在以不可思议的速度旋转，就像一个滑冰的人被拽着胳膊加速旋转一样。首先，地球每5小时自转一圈。它绕太阳公转一圈仍需要整整一年（约8 766小时）。在太阳系的历史上，地球公转的周期变化不大。但每年有1 750多天，太阳每5小时升起一次！
这样的估算似乎很奇怪，也无法验证，但至少有两个直接测量数据证实了古代日周期更短的想法。珊瑚礁是一种有力的证据。一些珊瑚物种显示出极其精细的生长线，这种线记录着微妙的日周期和更明显的年周期。正如预料的那样，现代珊瑚每年生长出约365条线，每条线代表一天。但泥盆纪时期古老的化石珊瑚，大约在4亿年前，每年有400多条线，这表明地球自转速度更快。那时每天只有22个小时，月球离地球大约比现在近1万英里。
其次，潮汐韵律层的音调现象提供了补充。潮汐韵律层是一种细粒的层状沉积物，它可以揭示潮汐的日、月和年的周期。犹他州大三叶杨峡谷9亿年前的岩石中包含了潮汐韵律层，对其严谨的微观研究表明，当时的地球每天仅有18.9小时，每年可能有464天，也就是每年有464次日出和日落。人们计算出当时的地月距离是218 000英里，这意味着月球的退行速度与现在非常相近：每年3.91厘米，略高于现在每年的3.82厘米。
疯狂的世界
目前还没有直接证据告诉我们10多亿年前地球的潮汐周期，但我们能确定，45亿年前的情况要疯狂得多。地球不仅每天只有5小时，而且附近的月球在其近距离的轨道上的公转也要快得多。月球绕地球公转一圈只要84小时，也就是现在时间的三天半。地球自转得这么快，月球公转得也这么快，人们熟悉的月亮盈亏的周期也在以疯狂的速度“快进”，每隔几个5小时时长的天数，就会出现新的月相。
这样的事实导致了很多后果，有一些并没有那么好。如此大的月球遮蔽在天空中，加上公转速度如此之快，日食会经常发生。几乎每隔84小时，差不多每当新月出现于地球和太阳之间时，都会出现一次日全食。阳光会被完全遮挡几分钟，恒星和行星突然在黑色的天空中出现，月球炽热的火山和岩浆海洋泛着红光，在黑色的月盘上显得格外耀眼。月全食也很有规律，几乎每隔42小时就会发生，就像时钟一样。在每个满月，当地球正好位于太阳和月球之间时，地球的巨大阴影会完全遮住明亮的月球。月球上的火山会再度映红周围，恒星和行星则会再次突然出现在漆黑的天空中。
巨浪是月球最初离得更近导致的一个更剧烈的结果。如果地球和月球都是理想的刚体，那么它们今天的样子将和45亿年前一样：相距15 000英里，自转和公转快速，日食和月食频繁。但是地球和月球并不是刚性的。它们的岩石可以收缩弯曲，特别是熔融的岩石，会随着潮汐膨胀收缩。年轻的月球在15 000英里外对地球的岩石施加了巨大的潮汐力，而地球也对基本处于熔融状态的月球景观施加了同等的反向引力。很难想象由此产生的巨大岩浆潮汐是什么样。每隔几个小时，地球上大量熔融的岩质表层可能就朝着月球的方向膨胀一英里或者更远的距离，由此产生巨大的内部摩擦，生成更多的热量，从而使地球表面熔融的时间比孤立的行星要长得多。地球的引力则“礼尚往来”，使朝向地球这一侧的月球表面向外膨胀，我们的卫星发生形变，失去了完美的圆度。
这些巨大的潮汐干扰是月球不断远离地球的关键因素。一个直径2 160英里的天体，如何从15 000英里移动到239 000英里之外？答案是角动量守恒，也就是说，地球角动量和月球角动量之和保持不变。物理学定律表明，无论地月系统在其初始时具有多大的角动量，它必定一直基本保持到今天。
45亿年前，地球每隔几个小时就会发生一次巨大的潮汐隆起。但是，由于地球表面绕地轴旋转的速度（每5小时一圈）比月球绕同一轴公转的速度（每84小时一圈）要快，带着额外质量的潮汐隆起始终处于领先位置，不断地在引力的作用下拉着月球，每公转一圈，就把角动量从地球转移到月球上一部分。大约400年前，德国数学家约翰内斯·开普勒首次提出了行星运动的不变法则。开普勒定律说，卫星具有的角动量越多，它离中心行星的距离就会越远。每公转一圈，月球都会不可避免地远离地球一些。
在地球的潮汐隆起拉着月球的同时，潮汐变形的月球也以相等的反向引力拉着地球上的巨大隆起，从而使地球每自转一次，自转的速度就会变慢一些。这就是角动量守恒的作用。月球公转越快，它离地球越远，它所获得的角动量就越多。为了抵消这一点，地球不得不以更慢的速度自转，来保持地月系统的总角动量不变。再想想花样滑冰运动员是怎样在伸出双臂时减缓旋转速度的。在45亿年的时间里，地球的自转速度从每5小时一圈，减缓到每24小时一圈，而月球在这个过程中越走越远，并获得了许多角动量。
并不是每个行星-卫星系统都遵循这样的故事发展。如果行星自转的速度比卫星公转的速度慢，那么必然会随之产生制动效应。行星上的潮汐隆起就会落后，卫星将随着每次公转减速，并越来越接近它的末日。最终，卫星将盘旋进入行星，并被行星吞没，这是关于大撞击主题的另一个版本。也许这就是逆行的金星没有卫星的原因。也许，一个曾绕轨道运行的卫星的灾难性死亡，可以解释为什么金星失去了水，变成现在这样一个严酷、高温、死气沉沉的世界。
在地月系统的早期历史中，从减速的地球到加速的月球之间的角动量交换比今天要大得多。在月球形成后的最初几百年里，两个天体都被汹涌的岩浆海洋所包围，这些岩浆海洋可以弯曲变形。地球上巨大的岩浆潮汐和月球上相似的岩浆膨胀，可能是月球每年后退几十或几百英尺的原因，尽管地球的自转从最初疯狂的速度开始稳步减缓。但这些巨大的陆地潮汐不可能持续太久。随着地月距离的增大，潮汐力减弱得更加明显：距离变大为两倍，引力就会减少到四分之一。三倍距离则意味着引力只不过是以前的九分之一。
月球表面的陨石坑，大部分来自重轰炸事件
反复的潮汐压力推迟了地球的凝固，但并不能完全阻止凝固。在大撞击之后的千百万年间，地球和月球的表面都铺上了坚硬的黑色岩石。起初，陆地潮汐仍然明显，固体岩石的变形仍然很大，但它们已经不像之前的岩浆海洋那样每天经历剧烈的膨胀了。
月球仍然是一个发光的提示，提醒我们宇宙是一个创造和毁灭交织的地方。即使在今天，我们也无法避免来自宇宙的灾难性冲击，致命的小行星和彗星仍不时穿越地球的轨道。数千万年前，一块巨石毁灭了恐龙；从现在起的千百万年后，其他巨石也将不可避免地命中目标。如果生存是人类作为一个物种最重要的群体任务，那么我们最好时刻观察着天空，因为我们最近的宇宙邻居提供了无声的证据：虽然变化通常是渐进的、良性的，但也可能会出现真正要命的那一天。
[1] 戴夫指戴维·沃内斯。——译者注
[2] 奥卡姆剃刀，是由14世纪逻辑学家、圣方济各会修士奥卡姆的威廉提出，这个原理称为“如无必要，勿增实体”，即“简单有效原理”。——编者注
