月球的自转秘密：潮汐力如何让月球总是一面朝向地球的？

很早以前，人们就留意到了一个十分诡异的现象。天上的月亮似乎总是以同一面孔示人。当我们得知月亮其实就是一颗围绕地球公转的卫星后，更是引起了我们强烈的好奇心：为什么我们在地球上只能看到月球的一个面呢？这背后隐藏着一个宇宙中极为普遍却又充满奥秘的机制——潮汐锁定。 什么是潮汐锁定？它又为何能够让月球总是一个面朝向地球呢？让我们一同探寻其中的奥秘。
月球作为地球唯一的天然卫星，与地球的平均距离约为38.4万公里，其公转周期是27.32天。巧合的是，月球的自转周期同样是27.32天。这就使得月球如同被施了魔法一般，永远只有一个面朝向地球，而另一面则背对着我们，鲜为人知。月球这种独特的自转模式就叫做潮汐锁定或者是同步自转、受俘自转。月球的自转和它公转之间的关系就像是下面这幅动图中展示那般精妙。

月球的公转和自转

潮汐锁定究竟是怎么回事呢？简单来说，潮汐锁定是指重力梯度的作用下，一个天体永远以同一个面对着另一个天体。例如，月球就是永远一个面朝向地球。那为什么月球的自转周期会同公转周期同步呢？究竟是何种力量将月球“锁定”了？答案就是“潮汐”。
潮汐是大家非常熟悉的自然现象。“潮”指的是早上潮水，而“汐”指的是黄昏的潮水。二者合二为一便形成了“潮汐”一词，表示海水每天在与海面垂直方向上的周期性涨落。这就是所谓的潮汐现象。
地球上的潮汐现象是怎样产生的呢？地球上潮汐的产生来源于月球和太阳对地球的引力。由于月球离地球更近，它对地球潮汐现象的影响也就更大。那么月球引力是怎样让地球产生潮汐的呢？看看下面这张潮汐原理图便能略知一二。

潮汐原理图

通过这张图我们发现，地球上海水的高潮发生在月下点和对拓点上，低潮则出现在月下点和对拓点中间的区域。这里的月下点，指的是月球在天顶时地球上所对应的地方，而对拓点，就是与月下点同一直径的另一端。
这其中的原理是什么呢？牛顿万有引力告诉我们，任意两个物体之间都存在引力，且引力的大小与它们距离的平方成反比。地球是一个巨大的球体，其表面必然存在距离月球最近的地方，即月下点；同时也有距离月球最远的地方，也就是对拓点。显然，距离月球最近的月下点受到的月球引力最大，离月球最远的对拓点受到的月球引力就最小。这种引力差就是潮汐力。

潮汐原理图

正是受潮汐力影响，地球和月球的连线上的海水形成了“隆起”，也就是高潮。而在两者之间的区域海水则形成低潮。由于月球不停的围绕地球公转，月下点和对拓点持续发生变化。地球上的海水就出现了周期性的涨潮和落潮。潮汐现象由此而来。
也可以这样理解月球潮汐力对地球的影响：地球本身可以近似看作是一个弹性球体。当月球引力作用于地球时，它会轻微拉伸变长，变成了一个椭球体。该椭球体的长轴的两个端点恰好对应着月下点和对拓点。地球凸起的地方也就是海水高潮出现的位置了。

地球和月球

说到这儿，或许有人会想：月球不过是地球的卫星，质量仅为地球的八十一分之一，其产生的潮汐力就能让地球出现如此壮观的潮汐现象。那么反过来，质量更大的地球对月球难道就毫无影响吗？实则不然，地球对月球的影响更大。地球对月球同样会产生潮汐力，使得月球在地月连线上出现类似“潮汐现象”的隆起。由于月球上没有海洋，潮汐力就直接作用于月球岩石，这被称为固体潮。科学家经过研究发现，月球上的固体潮起伏程度可以达到50~100厘米。
你知道吗？倘若时光倒流，回到遥远的过去，在地球上是能够看到月球背面的。在很久以前，月球的自转速度比现在快很多。也就意味着，月球正对地球的位置不断变换。由地球潮汐力引起的固体潮在月球表面不停移动，如同地球上海洋的潮起潮落一般。如此一来，在月球的内部产生了巨大的摩擦力，如同给月球踩刹车，使其自转不断减速。直到有一天，地球的潮汐力把月球的自转速度减到了临界值，也就是自转一周需要27.32天。此时，月球因潮汐力隆起的部位不再改变，内部摩擦力消失，自转也不再减速。

地球和月球

至此，月球自转转周期和公转周期相同，且始终以一面朝向地球，就这样被地球潮汐力潮汐锁定了。
既然月球被地球潮汐锁定，那反过来能否将地球潮汐锁定呢？理论上讲，月球是有这样的能力的。同样，地球诞生之初其自转速度也很快，一天只有10小时左右，如今却变为24小时。显然，地球的自转越来越慢了，原因正是月球的潮汐力。
所以，月球的确有将地球潮汐锁定的潜力。但月球和地球的质量相差悬殊。它想要潮汐锁定地球需要极其漫长的时间，甚至远超太阳的寿命。不等月球潮汐锁定地球，膨胀成红巨星的太阳恐怕早已将二者摧毁。

冥王星和冥卫一

不过，在太阳系中，有一对相互潮汐锁定的天体，那便是冥王星和它最大的卫星冥卫一卡戎。它们两个始终保持一面朝向对方，围绕共同质心相互绕转，周期为6.387天，宛如舞池中翩翩起舞的亲密舞伴，面对面不停旋转。
最后，不妨畅想一下：如果月球和地球相互潮汐锁定了，会是怎样的一番景象？那时，在地球的一面，月亮永远高悬天际，既不升起也不落下；而在另一面则永远看不到月亮。这一面的人要想看月亮，可要跨越大半个地球啊！更为有意思的是，在交通信息不发达的古代，背对月亮的那一面，会不会压根不知道天上还有个月亮呢？