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人类是怎样逐步认识月球的？
恩格斯曾经说过：“人们注意得更多的是事物的运动、转变和联系，而不是什么在运动、转变和联系。”自有人类文明以来，人们认识天体的过程确是如此。直到十八世纪，天文学家注重研究的仍是天体的运动，而不是它们的物理状态。其主要原因就在于科学技术条件的限制。就月球而言，在望远镜发明以前，人们单凭肉眼无法分辨月球表面的细节，最多只能精心研究月球运动的规律。自从出现了望远镜之后，月球物理状况的研究就提上了日程。到二十世纪，随着空间技术的突飞猛进，人类对月球的研究进入了实地探测的新阶段。
（一）对月球运动规律的探究
月球是离地球最近的天体。古代人用月球位相变化的周期（29.53天）来确定一个月份的长度（大月30天，小月29天），所以非常注意月球的运动。中国战国时代的天文学家石申就已经觉察到月球运动不均匀，而且时常偏离到黄道以南或以北。东汉末年（公元二世纪末）的刘洪比较准确地测出了月行速度变化的周期为27.5534日（即今天所说的“近点月”），并实测出一个周期内月球每日实际运行的度数，与它的平均速度相比较，把得到的差数列成表格（即“月离表”），用以推算给定时刻月球的实际位置。其后历代的天文学家遵循刘洪的作法，进一步测得近点月的长度为27.5546日，并得知月球平均运行和实际运行的累积差数（月行差）最大可达6度左右。
古希腊的天文学家喜帕恰斯和托勒密也先后测出了准确的近点月长度，并求得“月行差”的最大值变化于5.02—7.56度之间。托勒密还从中区别出两种不同周期的差数，即“中心差”和“出差”。前者的半振幅为6.29度，后者的半振幅为1.27度。每逢“朔”和“望”的时候，中心差抵消出差，月行差变小到5.02度；而在上弦和下弦时，中心差加上出差，月行差增大到7.56度。在这一认识的基础上，他先算出月球的平均位置，再运用三角方法求得给定时刻的中心差和出差，然后算得月球的实际位置。
显然，古人所能知道的月行差，仅仅只限于月球作椭圆运动引起的中心差和由太阳引起的最大黄经摄动项“出差”，其他诸多因素因观测条件限制而难以发现。过了一千多年之后，直到公元十六世纪，丹麦天文学家第谷才在观测中发现了“二均差”和“周年差”。二者的半振幅分别为0.66度和0.18度。第谷的弟子开普勒提出了著名的行星运动三定律，这些定律同样适用于月球的运动。但即使如此，由于“引力摄动”问题没有满意的解决，精确描述月球运动仍是一个相当复杂而困难的课题。
近代欧洲航海事业的发展，要求精确测出指定地点的经纬度，以便确定船只在大洋中的准确位置。纬度的测定只须测出北天极或南天极的高度即可解决，但测定经度比较麻烦，除了走时准确的钟表以外，还必须预先知道月球在恒星间的准确位置。这就有力地促进了月球运动的研究。恰好精密仪器的发明以及高等数学和天体力学的发展为建立月球运动理论提供了条件。
1687年，科学巨人牛顿提出了万有引力定律，从力学原理上解释了月球运动的规律。他指出，，正是太阳的摄动作用产生了月球运动的主要周期差和近地点的“进动”。他还得出前人在观测中没有发现的其他“月行差”。
十八世纪，供职于俄国科学院的瑞士数学家欧拉根据牛顿的引力理论，运用微积分等数学工具，于1753年提出第一个较为完整的月球运动理论。两年后，德国天文学家默耶尔根据欧拉的理论制定出一份比较精密的月离表。据此可以在航海中大致测出船只所在地点的经度。自1767年起，英国格林尼治皇家天文台每年编印一部航海历，详细提供一年内每天每时的日、月、行星以及主要恒星的视位置，而且提前一年出版，这就是早期的天文年历。不过，按默耶尔的月离表，地面上的定位误差仍达30千米。
针对这个问题，法国科学院采纳1820年拉普拉斯提出的建议，悬赏征求更加完善的月离表。于是，先有法国的达木瓦佐，继而有意大利的普拉纳，他们所编制的月离表分别于1824年和1832年先后问世，但其精度仍不理想。建立月球运动理论的工作由德国天文学家汉森继续进行下去。
汉森的月离表于1857年由英国政府发表。这个表在1862—1922年间成为各国天文年历计算月球位置的依据。中国于1914年开始采用它来编算每年的历书。
但是，汉森的月离表只是大大改进了月球运动中的短周期变项，对于长周期变项仍未能满意解决。于是一些专家重新进行研究。其中影响最大的是美国天文学家希尔和布朗。
希尔精确地计算了月球近地点的“进动”。英国的亚当斯计算了黄白二道交点的“退行”。到二十世纪初，布朗使用希尔和亚当斯的方法，并加了一个微分改正过程，于1919年编制出更为精确的《布朗月离表》。从1923年以后的六十年间，国际上天文年历中的月球位置表就采用布朗的理论进行计算。
《布朗月离表》中保留的黄经方面的太阳摄动项的系数大于1000″的有三项，100″—1000″之间的有10项，10″—100″之间的有14项，1″—10″的有32项。其中主要的月行差有五种，除了前面提到的“中心差”、“出差”、“二均差”和“周年差”以外，还有一个“月角差”，周期为一个朔望月，半振幅为0.035度。另外还有黄纬方面的若干摄动项。在普遍用于历书计算的布朗理论中，必须用到310个不同周期的月行差，才能使月球位置预报的精度达到1″以下。
1984年，月球的黄经、黄纬和地平视差不再根据布朗的理论推算，而是采用美国喷气推进实验室和海军天文台所编的LE200历表来推算。
（二）对月球距离、大小与物理状况的探索
（1）月球的距离和大小
古希腊的喜帕恰斯通过从两地间观测同一次日食，算出月球到地球的距离为地球半径的59—67.3倍。托勒密在其《天文学大成》中认定月球离地球最近为地球半径的33倍，最远为64倍。十六世纪波兰天文学家哥白尼承袭了这一看法。但由于当时人们不知道地球半径的准确值，所以他们认定的月地距离实际只是一个“比例尺”模型，而且误差很大。
公元1671年，法国天文学家皮卡尔受法国科学院委托，用三角测量法测得地球子午线一度之长为111.2千米。由此可推知地球的半径为6371.27千米。这就为后人实测月球距离准备了条件。
法国科学家拉卡伊是第一个使用三角法精确测得月球距离的人。他和他的学生拉朗德合作，于1752年分别在好望角和柏林同时观测月球经过子午线时的“天顶距”，通过一些换算，求得月球的“地平视差”等于57′（角分），代入有关公式，就算出月地平均距离等于地球半径的60.27倍，即384400千米。通过进一步研究，人们终于知道，月地之间的距离，最近为356400千米，最远为406700千米。月球轨道是一个偏心率为0.0549的椭圆。
月球的角直径可以在地球上直接测得。平均值为31′05″，联系月地距离的数据，就不难求得月球的线直径为3476千米，相当于地球直径的27.25﹪，月球的体积是地球体积的1／49.
（2）对月球表面形态的研究
古希腊哲学家德谟克利特猜想过月球表面的形态。认为月亮不发光，只能反射太阳光；月亮上有很多山脉和山谷，人眼看去月亮上的阴影是由于月面凹凸不平造成的。这个猜想在两千年后被意大利科学家伽利略的观测所证实。
公元1609年，伽利略用他新制的天文望远镜第一次看到月球表面的真相：既有大块较暗的平坦区域，也有不少陡峭的山脉和无数像地面上火山口那样的环形山。他据此绘制了最早的月面图，并给两条最著名的山脉分别命名为阿尔卑斯山和亚平宁山脉（原是意大利北面和中部的山脉名称）。他还根据月球山脉的阴影长度，创造性地测定了一些山脉的高度。他把这些研究成果记入他的《星际使者》一书公布于世。
第一个作出月球正面整体图的是耶稣会传教士、波兰人朗格林诺斯。他的月面图发表于1645年，图上标有322个地形。他把月面上暗的地区称为“海”，把亮的地区称为“大陆”，这种叫法沿用至今。对于环形山，他则用王公贵族的姓名来命名。但这些名称，日后均被天文界淘汰，至今留用的只有以他的名字命名的朗格林诺斯环形山。
波兰数学家赫维留于1647年出版《月面图谱》一书。书中包括3幅直径为28.5厘米的月面图，以及40幅直径为16厘米的月相图。还记录了他独立测定的月面山峰的高度。这是他十年辛勤观测的结晶。
1651年意大利学者里希奥利出版的一本书里载有直径28厘米的月面图。这张图是他的大弟子格里马第制作的，但却记载了他的命名法。同朗格林诺斯一样，里希奥利把把大的暗区称为“海”，如“晴海”、“风暴洋”等；对于环形山，则采用古代科学家和学者的名字。由于他不相信哥白尼的“日心地动说”，因此以哥白尼、伽利略和开普勒的名字命名的都是一些小的环形山，而以他的弟子“格里马第”命名的则是大而醒目的环形山（当然格里马第也是有贡献的科学家，他于1655年发现了光的衍射和干涉现象，并提出光的波动说，后由惠更斯加以论证）。里希奥利的命名法为后世所接受，他所命名的大约200个地名沿用至今。
十七世纪最后一位描绘月面图的是巴黎天文台首任台长卡西尼。他的作品完成于1679年。在他的月面图中首次记入具有中央峰的环形山，以及史密斯海、勒伊塔谷等地形。
进入十八世纪以后，随着望远镜镜片和测定装置的改进，对月面的研究有了新的进展。默耶尔使用测微器测定了月面23个地点的位置，绘制了两幅月面图。他在绘图中第一次采用了月面坐标，以月球赤道为起点计量月面纬度，向北为正，向南为负；以通过月面中心垂直于赤道并通过南北两极的经线为起点计量月面经度，向西为正，向东为负。因此他被后人誉为“近代月面学之父”。
十九世纪，研究月球表面的代表人物有洛尔曼、贝尔、梅特勒和施密特等人。洛尔曼把自己所测定的70个环形山的位置记录在直径为97厘米的月面图上。该图被分割成25张，其中4张作为《月面形态》一书的附图于1824年发表，他绘成的全图到1878年才问世。在此前后，德国天文学家梅特勒与柏林银行家贝尔用测微器测定了月面105个地点的基本位置，以此为基础，绘制了由4幅图组成的直径95厘米的月面图，于1837年发表。该图标有148个环形山的直径和830个山峰的高度。梅特勒还出版了一本巨著，题为《月球：一般的和比较的月面学》，指出月球是一个无水、无空气、无生命的世界。其后40年间，德国天文学家施密特于1878年发表了内容超前的直径为195厘米的月面图。该图由25幅分图组成，图上标有33000个地形，根据山影测得高度的山峰有3000多个。
到二十世纪，英国月面学家威尔金斯于1946年绘成了直径为760厘米的巨幅月面图。此图包含9万多个月面形态。月面上每相隔1千米左右的细节都已经画清楚。为了满足实地探测月球的需要，月面学家继续摄制更精确而详尽的月面图。1958年，法国日中峰天文台的李约用口径60厘米的折射望远镜和电影摄影机对月面进行大规模的摄影，编制出比例尺为1比100万的月面图，其精度超过了威尔金斯。第二年，苏联的探月工程“月球号”系列正式启动，人类对月面形态的研究由远距离观测进入实地探测的阶段。
（3）对月球质量的探讨
地球的质量可用万有引力定律直接算出，即5.98×1021吨。但正确求得月球的质量却是一个复杂的问题。
牛顿曾根据万有引力定律，认定起潮力与引力源（太阳或月亮）的质量成正比，而跟引力源到地球的距离成反比。他还认为大潮与小潮的水面高度跟起潮力的大小是线性关系。于是通过对起潮资料的研究，得出地球与月球质量之比值为38.79，这与今天公认的准确值（81.3）相比，无疑误差太大。
到十八世纪，法国的拉普拉斯运用潮汐动力理论、太阳黄经的修正值和地球的章动估计出月球质量是地球的1／68.5，这比牛顿得出的结果进了一步。尔后美国人弗雷尔继承拉普拉斯的传统，利用布雷斯特从1812年到1830年共十九年的潮汐数据，求得月球质量是地球质量的七十八分之一。
随着观测精度的提高，天文学家终于认识到，“月球绕着地球转”这个说法不够准确，真实情况是月球和地球都绕着“地月系”的公共质量中心转动。天文学家希尔就是根据这一认识而简化了月球的运动方程。“地月质量中心”距地心和月心的距离之比等于两者质量的反比率。在“地月系”围绕太阳运转的过程中，其质量中心的轨道是个椭圆，而地球中心则在椭圆轨迹的两旁波浪式地前进，其周期为一个朔望月（29.53天）。地心的这种微小摆动必然反映在太阳的视运动中。通过对太阳视运动的精密观测，得知其半振幅为0.00179度，即6.44角秒。这个微角在地球直径处对应的线距离等于4671千米。也就是说，地月质量中心在距地心4671千米的部位（仍在地球内部），离月球中心379729千米。由这两个数据的比值很容易算出月球质量等于地球质量的1／81.3.已知地球的质量等于598000亿亿吨，除以81.3就得出月球质量等于7350亿亿吨（绕月卫星发射后，求得的月球质量与此相同），进而知道月球的平均密度为每立方厘米3.34克，其表面重力加速度为162.2伽，相当于地球表面重力加速度的1／6；脱离速度为2.4ｋｍ／ｓ.这些数据证实了前面提到的梅特勒的预言：月球是一个无水、无空气、无生命的世界。加之它的自转周期等于公转周期，一昼夜等于一个朔望月，白昼黑夜各是14天多，因而月面温度变化极大，白昼高达140摄氏度，黑夜则降到零下170摄氏度。
（三）对月球的空间探测
1957年10月，苏联第一颗人造卫星上天。从此，人们对月球和太阳系其他天体的研究手段发生了根本的变化。除了在地面用望远镜做常规观测以外，又增加了实地探测的研究方法。在这方面苏美两国捷足先登，中国的探月工程也在二十一世纪成功实施。
美国于1961年5月宣布了“阿波罗”探月计划的开始。首先执行了3个辅助计划，为以后的探月工程做准备，这就是“徘徊者”、“月球勘测者”以及“月球轨道飞行器”计划。
“徘徊者”从1961年8月至1965年3月前后共飞行9次。其任务是在月面硬着陆，并在着陆前拍摄月面的特写镜头。其中“徘徊者”1—6号都以失败告终，7—9号较为成功，拍摄照片一万七千余张，使人类首次看到月球表面直径1米左右的坑穴和直径只有几十厘米的岩石，同时了解到月球上许多地区是较为平坦的，巨大的岩石较少，大型的喷火口更少。
“月球勘测者”计划是美国第一个月面软着陆计划。从1966年5月至1968年7月先后发生7次。除第2号和第4号以外，其余5次均获成功。在完成软着陆计划的同时，还研究了“月壤”的化学性质，进行了月面电视摄影。勘测结果表明，月球表面完全适于“阿波罗”飞船的降落。
“月球轨道飞行器”计划是一个绕月飞行的计划。从1966年8月至1967年8月前后飞行5次，全部获得成功。这一计划的宗旨是研究近月空间和月球表面的结构，为“阿波罗”飞船选择着陆点。“月球轨道飞行器”拍摄了月面照片一千余张，拍摄范围达到月球面积（包括背面）的99％以上。此外，在环绕月球飞行的过程中，由于月球引力的不均匀性，致使飞行轨道发生了偏离，从而获得了关于月球内部结构的新知识。
在三个辅助计划成功实施的基础上，“阿波罗”登月工程于1966年正式启动，到1972年结束，前后飞行17次。“阿波罗”1—3号是模拟体，4—6号是不载人座舱。经过前6号的试验，从第7号开始便进入载人运行的阶段。其中第7号在地球轨道上做载人飞行试验，第8号在接近月球表面的100千米的上空鸟瞰月面，并拍下了从月球上空看地球升起的照片。第9号在地球轨道上试验登月舱，第10号做环绕月球和登月模拟实验，就是将登月舱降到距月面15千米以下做模拟着陆试验。
“阿波罗计划”的实施，详尽地揭示了月面的结构特征、月面物质的化学成分、光学和热学的物理特性，并探测了月球的重力、磁场和月震现象，促进了月面学、月质学等有关专门学科的发展和繁荣。
“阿波罗计划”结束以后，鉴于探月过程耗资巨大，这项活动一时有所降温。但出于深入探测和开发利用的目的，自1994年起，国际上又掀起了新一轮探月热潮。先后发射月球探测器的有日本、美国、欧洲、中国和印度。