月球的一面爲何總是面向地球？深層解讀“潮汐引力”！

小時候，每當到了夏天，我和村上的鄰居們都會跑到自己的院子裡或者平房頂上避暑過夜。俗話說，十五的月亮十六圓，當夜幕降臨時，我們擡頭仰望星空時，一輪又大又圓又亮的月兒高掛在空中。這樣的時刻有文學天賦的孩子們會不禁讀出“明月幾時有”這樣的千古名句，也有聰明愛觀察的孩子會發現月亮似乎每一個夜晚都只是把一面朝着我們。

仰望星空

不錯，月亮的確總是一面朝着地球，我們把這一面叫做月亮的正面，這種現象叫做潮汐鎖定。看似千年不變的規律，其背後卻隱藏着深刻的科學道理，那麼地月之間的潮汐鎖定到底是如何形成的呢？

始終朝着地球的月球“正面”

什麼是潮汐？

在解答潮汐鎖定之前，首先要了解什麼是潮汐，在地球上的一些含水量大的地方，特別是海洋，每到一個特定的時間都會潮汐現象，那麼潮汐這種壯觀的現象如何形成的呢？

我們知道，因爲地球受到了太陽的引力作用，所以地球始終圍繞着太陽公轉，但是地球並沒有被太陽吸入而是在自己的軌道上旋轉，正是這個公轉的角速度提供的慣性離心力（離心力並不是一種實際存在的力，而是假想的一種力）使地球達到了受力平衡而穩定在固定的軌道上。

潮汐現象

我們可以把太陽和地球構建一個物理模型，首先對地球進行簡單的受力分析：

引力F1=GMm/R^2(M爲太陽質量，m爲地球質量，R爲太陽中心到地球中心的距離)；

離心力F2=mω^2R(m爲地球質量，ω爲地球自轉角速度，R爲太陽中心到地球中心的距離)；

把地球作爲質點時的簡單受力

由上圖可知，我們從太陽中心到地球中心畫一條直線，可以找到地面上離太陽最近的A點和離太陽最遠的B,正常情況下，地球的直徑大小大概是太陽的1/109,我們就可以把地球當做一個質點來分析，地球上任意地點的所受太陽的引力是一樣大的。

但是對於地球上的軟性物質（比如海洋）來說，在A點和B點引力的差異會造成其運動方向的差異，下面簡單的計算一下：

在A點的太陽引力爲Fa=GMm/(R-r)^2，其中r爲地球的半徑，此時的引潮力

Fac=Fa-F2>0；

在B點的太陽引力爲Fb= GMm/(R+r)^2，其中r爲地球的半徑，此時的引潮力

Fbc=Fb-F2<0；如下圖所示：

地球上各點所受太陽的引力各不相同

此時，在這兩個引潮力的作用下，由於海水沒有慣性，地球會趨向於一個橢球的形狀，作爲流體的海水會有明顯的運動。

地球的潮起潮落，月亮和太陽誰的作用大？

大部分的科普文章中直接就說漲潮是月亮引力引起的，那麼爲什麼不是太陽引力引起的呢？剛剛我們分析了日地系統的引潮力，其實地月系的引潮力原理相同，通過簡單的計算就可得知到底是太陽的影響大，還是月亮影響比較大。

下面是一些具體的數據：太陽質量爲M,地球質量m，月亮質量爲m1，太陽到地球的距離爲R，月亮到地球的距離爲由牛頓第二定律F=ma可知：

地球向日的引力爲F=GMm/R^2,地球向月的引力爲F=Gmm1/r^2。所以太陽對地球的引力與月亮對地球的引力的比值爲GMm/(R-r)^2,帶入數值大約等於174，也就是說太陽對地球的引力是月亮對地球引力的174倍。

可得知：引潮力和引力加速度成正比，而和距離成反比。這就很好理解了，雖然太陽對地球的引力是月球的174倍，但太陽的距離卻是月球的389倍，距離比質量對引潮力的影響更大，月球的引潮力還是太陽的2.2倍。所以地球上海洋的潮起潮落主要由月亮引力作用形成的。

潮汐鎖定的形成

瞭解了潮汐形成的原理之後，現在回到潮汐鎖定上面來。目前科學上對地月系的形成原因與時間還沒有明確的定論，但是可以肯定的是地月系已經形成數億年之久了。

月球對地球起到了引潮力的作用，同樣的地球也會對月球形成引潮力，但是月球表面並沒有像海洋這樣的液態物質，全部都是岩石類等硬質物質所構成，所以短時間內月球是看不出什麼變化的。

但是在漫長的歲月裡，地球對月球的引潮力始終作用在月球的岩石上(早期的月球因爲溫度非常高，月球呈現出熔岩狀，也會發生潮汐現象)，就會造成月球緩慢的持續的處在變形當中，直到變形到今天的橢球形狀，科學家稱之爲固體潮。

橢形的月球受力降速

假設月球的自轉速度爲v，引潮力會使月球的自轉速度逐漸變慢，我們來看上面的月球的受力圖便知一二；當月球逐漸的形成一個橢球體的時候，在它的長軸上的A點和B點受到的引潮力始終阻止月球自轉，消耗月球的自轉能量而使速度衰減，最終月球的長軸始終朝着地心的方向，月球的自轉速度v不再變化，也就是月球的自轉自己的公轉同步。

潮汐鎖定

既然月球會被地球給鎖定，那麼爲什麼地球沒有被太陽鎖定呢？其實，太陽也會對地球向形成潮汐鎖定，只是時間要變得很久。有天文學家估計，月球被地球潮汐鎖定的時間爲2000萬年即可。力的作用是相互的，月亮對地球的潮汐力同樣也可使地球被潮汐鎖定，在太陽系中，冥王星與它的衛星卡戎星就是互相處在潮汐鎖定的狀態中。它們兩個不是以對方作爲圓心旋轉，它們旋轉的對稱點在中心連接線上。只不過，這個對稱點更加偏向冥王星而已。

冥王星與卡戎星雙星鎖定

靠近地球的小行星會怎麼樣?

可以想象，月球離地球的距離相對較遠，且軌道基本沒有什麼變化，月球的橢球形保持的還比較穩定。假設有個小行星在逐漸靠近地球，那麼這個小行星會變得怎麼樣呢？結果是令人遺憾的，小行星很可能會被撕碎，但是這取決於很多條件：

已知星系的具體參數，可求得該系統的洛溪極限

對於到底接近地球要多少距離纔可能被撕碎，這個距離在天文學上叫做地球的洛希極限，指的是一個天體自身的重力與第二個天體造成的潮汐力相等時兩者之間的距離。每個天體的洛希極限值都不盡相同。在太陽系中，土星環的形成就是天體處在土星洛希極限內被撕碎的結果。

土星環

但是我們不用擔心月球有一天會被地球撕碎，因爲月球在以每年幾釐米的速度遠離我們生活的地球。

總結

“萬能”的牛頓

綜上所述，關於潮汐鎖定的背後的原因大概瞭解了。其實潮汐及潮汐鎖定現象很早就被發現，牛頓首先採用萬有引力計算由太陽和月球造成的潮汐作用，現如今採取了更先進的數學方法拉普拉斯的均衡理論來分析潮汐現象。浩瀚的星空繁星點點，深邃而美麗；由遠及近，美麗的背後暗含着許多人類亟待解決的奧秘。