在太空中的所有自然物体中，月球长期以来一直是我们最近的宇宙邻居。我们自古以来就知道月亮离我们很近：比太阳、任何行星、夜空中的任何恒星或星云都要近。我们了解到这一点的方法只是通过观察掩星，即从地球上看，两个物体在它们似乎占据的空间中重叠。当月亮和太阳占据同一空间时，我们就会发生日食，因为（较近的）月亮似乎挡住了（较远的）太阳。当月球和行星或恒星占据同一空间时，月球总是在前面，月球的“黑暗部分”总是显得黑暗，并且从来没有行星或恒星在它前面发光。
但如果月球确实是我们在太空中最近的邻居，那么它离我们有多远呢？
随着时间的推移，无论是短期还是长期，答案都不一样。事实上，在您从头到尾读完整个句子的预计 10 秒内，月球与我们的距离已经改变了大约 331 米（1086 英尺）。当月球在椭圆轨道上绕地球公转时，月球也不会回到相同的起点和终点，而是平均每个月球轨道远离地球 3.1 毫米。
然而，今天，我们比以往任何时候都更准确地跟踪月球，这要归功于一项非凡的技术：激光。以下是我们如何获知到太空中最近邻居的距离的方法。
古老的方法
假设您生活在数千年前：在激光、火箭、相机、蒸汽机甚至儒略历发明之前。即使您不了解重力是什么或它是如何工作的，仍然有一种方法可以确定（至少大约）月球距地球有多远。您所需要做的就是观察两个事件：
日食（上图），这样你就可以向自己证明月球确实比太阳离地球更近，
然后是月偏食或月全食的部分阶段（如下），这样您就可以看到地球的阴影落在月球表面上。
因为您知道太阳距离地球比月球距离更远，所以您可以想象您在月球上看到的地球阴影大约是地球的物理大小。（实际上，它要小一些，因为太阳照在地球上会形成一个影锥。）只需观察落在月球上的地球阴影的大小，您就可以确定月球与地球相比有多大。
古希腊人记录了这一测量，并指出地球阴影的直径约为月球直径的三倍。但我们已经知道如何测量地球的大小：埃拉托斯特尼在大约 2300 年前就这样做了！如果我们知道地球的大小（其直径略小于 13,000 公里），那么我们可以通过将地球直径除以肉眼可见的三倍来估算月球的大小。对于这些数字，13000/2.5 = 4300 公里，仅大了 24% 左右。
如果您知道月球实际有多大，并测量它在天空中的角度大小（大约半度），您可以使用简单的几何学来确定月球距离地球实际有多远：大约 493,000 公里。（同样，这个数字大约大了 24%。）
这是有史以来第一个用于确定月球距地球距离的方法，至今仍能给出非常好的近似值。但随着时间的推移，我们学会了如何更精确地测量这个距离。
一种不太古老的方法
如果你知道月球比星星更近，那么你可以做的就是让两个人站在地球上，纬度相同但经度不同，同时观察月球与星星的相对位置。在最极端的情况下，您可以想象两名观察者位于地球赤道上完全对映的点上观看满月：一名在日出/月落，一名在日落/月出。如果你在那一刻能看到任何光点——任何恒星或行星——你就可以让这两个观察者测量月球相对于他们的位置。
因为月球比任何其他恒星或行星都更近，所以月球看起来会在这两个观察者之间移动，就像你举起拇指并在左眼和右眼之间切换一样，你会看到拇指的位置似乎相对于其后面的背景对象发生变化。
如果你在理想条件下进行这个实验，你会发现这两个观察者之间的月球视位置相差 1.9 度，这意味着，对于地球半径 6371 公里，月球距离为 384,000 公里公里。
这是一个很大的进步，但只给出一个这样的答案存在一点问题：月球的距离随着时间的推移并不是恒定的。
如果你在一个农历月的过程中观察月球——新月从盈、满、亏到再次变新所需的时间——你会注意到它在月球表面上的大小并没有保持不变。天空。此外，你看到的月球“面貌”也会发生一些变化；在一个月的时间里，您可以看到超过 50% 的月球表面：最多可达 59%。
为什么？
因为月球既绕地球（椭圆形）公转，又绕地轴自转。我们通常将“农历一个月”近似为月球完成这两件事所需的时间，但实际上，这些比率略有不同。月球以恒定速度绕其轴旋转，但当它绕地球公转时，当它最接近地球（在近地点）时，它的移动速度更快，而当它距离地球最远（在远地点）时，它的移动速度最慢。
月球的轨道实际上是非圆形的。最接近时，距离地球 356,375 公里（221,441 英里），最远时，距离地球 406,720 公里（252,724 英里）。在最接近的地方，它相对于地球的移动速度高达 1.09 公里/秒，而在最远的地方，它相对于地球的移动速度仅为 0.97 公里/秒。这些差异解释了月球的“摆动”，即所谓的月球天平动。
我们可以季节性地看到这一点，因为有些月份（例如 2023 年的 7 月和 8 月）的满月与月球近地点重合，此时月亮看起来比正常情况更大、更亮。我们将这些称为“超级月亮”，其中月亮比最小的满月大 14%，亮 30%。相反，也有满月与月球远地点重合或非常接近，月球在远地点距离地球最远。我们称这些满月为“微月亮”，这些满月是最小且最微弱的。2023 年最小的满月发生在 2 月 5 日。
当月球从近地点过渡到远地点并再次返回时，它会远离地球并返回地球。最快时，月球可以以每小时 270 公里（168 英里/小时）的惊人速度靠近或远离地球，或者每 13.3 秒靠近或远离一公里。在短短六个小时内，月球和地球之间的距离可能会改变多达 1000 公里。
尽管自 17 世纪以来这些变化就可以通过万有引力定律来预测，但直接测量这些变化却是另一项壮举。但从 20 世纪 50 年代开始，我们开始这样做。
第一种现代方法：雷达回波
雷达回波的想法是，如果你向月球发送无线电波脉冲，这些无线电波的一部分会从月球反射回来，并在大约 2.5 秒后返回给你。毕竟，无线电波是光的一种形式，所有形式的光都以光速传播，所以如果您：
发出脉冲，
让脉冲从月球上反弹，
等待那个脉搏回到你身边，
发射和接收返回脉冲的时间差乘以光速，就可以得出到月球的距离。对于业余无线电操作员来说，这应该不足为奇，因为从月球反射无线电信号（也称为地球-月球-地球或 EME 通信）是一项自 1953 年以来一直在使用的技术！
使用这种方法的第一次实验是在 1946 年作为美国陆军戴安娜计划的一部分进行的，随后于 1957 年在美国海军研究实验室进行了工作。然而，他们没有给出一致、可重复的结果。这些信号首次于 1958 年在英国获得，当时英国皇家雷达机构发出了持续时间较长的脉冲。这使我们能够在任何时间点测量月球距离，精度仅为 ±1.2 公里：这是激光出现之前最准确的方法。
目前的现代方法：月球激光测距
然而，有两件事真正改变了月球距离测量的游戏规则：激光的发明和广泛使用，以及在月球上着陆（和安装）设备的能力。
激光不仅是单色光束，而且高度准直：从地球发出的激光束的扩散量极小。激光束每传播一公里，它只会向各个方向扩散约 1 厘米。由于这种光是如此相干，并且可以在非常短的时间间隔内“脉冲”，如果发射的光子中只有一小部分可以反射回地球，我们就可以使用往返光传播时间来推断到月亮非常准确。
作为阿波罗计划的一部分，多项任务（包括阿波罗 11 号）都涉及安装月球回射器：带角的三维镜子，由许多单独的立方体组成，可以将光线反射回最初发射它们的光源。与美国阿波罗计划重叠的苏联月球车计划也包括激光反射器。当我们从地球发射激光并从月球上安装的反射器反射它们时，我们实际上可以测量到月球的距离，精度仅为几厘米。
今天，我们实际上同时利用地球上的多个激光测距设施和多个月球后向反射器来难以置信地提高精度：我们在大多数情况下可以测量地月距离，精度可达一毫米左右，有时甚至可以达到一毫米左右的精度。在该值下。考虑到地月平均距离约为 384,400 公里，这意味着我们可以测量到约百亿分之一的瞬时地月距离。
这种准确性的科学原因有很多。首先，如果你想登陆月球或绕月球运行，更高的精度和准确度意味着更小的误差以及更小的坠毁或错过轨道的风险。对月球如何因太阳和地球的引力影响而摇晃和晃动的详细观察表明，月球不是一个均匀的物体，而是内部有一个液体核心。月球激光测距告诉我们，由于大气层、潮汐和地核的影响，地球日在一年中会有几毫秒的变化。它还告诉我们有关大陆漂移的知识，因为激光测距实验表明，位于毛伊岛的天文台正在远离德克萨斯州的天文台。
以我们目前的精度，我们可以准确预测过去和未来约 3500 年的日食和月食，包括它们在地球上的精确位置和持续时间。但随着时间的推移，事情并不是一成不变的。也许我们注意到的最引人注目的长期影响是，从长远来看，月球实际上正在以很小但显着的速度远离地球：每年约 3.8 厘米。此外，为了保持角动量守恒，这意味着地球的自转速度正在逐渐减慢；与 100 年前相比，地球自转一圈大约需要 2.4 毫秒。
有化石证据表明，大约 8000 万年前，地球一天的长度比现在短了大约 30 分钟；一年有 372 天，月球距离我们平均近 0.5%。按照目前的衰退速度，月球将继续远离地球，地球自转将继续减慢。再过 400 万年，地球上将不再需要闰年，因为一年正好有 365 天。约 6.5 亿年后，月球将远离地球，以至于不再可能发生日全食；太阳在天空中总是显得比月亮大。
通过使用激光跟踪月球，我们可以比以往更精确地测量其位置、特性和轨道演化。有了一系列新的月球回射器，我们也许能够做得更好！