高中物理课上在讲到万有引力和开普勒三定律时,老师随口提到,月球面对地球的一直是同一面,就像你站在操场中心原地旋转(地球自转),另一名同学绕着你旋转(月球公转),而这一过程中他始终面向你(即面向你的总是同一面),就像上面图1所示。这一现象用天体术语表述为:月球绕地球旋转的公转周期,与月球绕自身轴线自转的自转周期相等。为了大家能够容易地理解这一现象,我将以高中阶段的物理知识通俗地解释它(观众:明明是作者只有高中物理水平好不好...)。
地球和月球间距约38万千米,这是什么概念呢?地球赤道周长约4万千米,即地月间距是地球赤道周长的约9.5倍,也就是说,如果月球不动,地球向月球方向滚动九圈半,它俩就撞一块儿了。所以从天体的尺度来着,地月是非常近的,不然月球也不会被地球俘获成为其卫星。
进入正题。根据万有引力定律,引力与距离的平方成反比,即距离越近引力越大,距离越远引力越小。因此月球离地球较近的一面(脸)比离地球较远的一面(后脑勺)受到的引力更大,这导致月球受力不均匀,会造成月球形状的宏观改变,假设地球质心为A,月球质心为B,即月球的形状会在地月连线的方向A-B上伸长,在垂直A-B的方向上缩短。如图2左图所示,形状由球体(实线)变为椭球体(虚线)。为了便于分析(观众:为了你便于忽悠...),我们把椭球体的月球简化成两边有肿包(术语叫做“隆起”)的球体,如图2右图。
假设月球自转和绕地球公转周期不相等,那么以地月各自质心连线A-B为参考系就能观测到月球的旋转,假设相对旋转方向为逆时针。正是由于相对旋转的存在,使得原本应该处在A-B上的两个隆起都将向速度方向些许偏移,如图3,可以通俗地理解为,当月球受到不均匀的引力变成椭球的同时,由于月球的惯性,椭球继续旋转,导致两个隆起总是偏离A-B方向。这时,隆起这两部分的质量均将受到地球引力的拉扯而产生力矩,如图3中红色箭头。近地端隆起受到的力矩对旋转起阻碍作用,远地端隆起受到的力矩对旋转起促进作用,但由于近地端所受引力更强(实际上我们由图可知近地端引力的作用半径也更大),因此合力矩将阻碍月球的自转,自转速度将减小直至以A-B为参考系月球不再有相对转动,此时隆起部分将不再受到力矩,月球将始终以同一面面对地球。
这种卫星的一个半球始终面对被其所环绕天体的现象,被称作潮汐锁定。由于物体各部分与引力源的距离不相等而产生的引力差,被称为潮汐力。海洋的潮起潮落就是月球对地球的潮汐力造成的。
潮汐锁定总是发生在质量明显较小的一方星体上,比如行星-卫星系统中的卫星上。实际上,月球对地球的潮汐力也会在十分微小的程度上影响地球自转周期,但由于两者质量相差过大,因月球潮汐力引起的地球自转周期的变化微乎其微,在漫长的观测时间里才能发现端倪,也就是说,如果地月系统存活的时间足够长,总有一天,地球也会被月亮潮汐锁定,这时只有在地球的一个半球上才能看见月亮,另一个半球的天空中将再也不会出现月亮的身影,即地球和月球始终“面对面”。太阳与地球距离过远,地球不会被太阳锁定。
当两个星球质量接近的情况下,两个星体便会很快(“很快”是相对来说)相互锁定,最好的例子就是冥王星和它的小伙伴卡戎。冥王星本来是太阳系九大行星之一,是九颗星球里距离太阳最远的一颗(由近到远分别为:水金地火木土天王海王冥王),而卡戎本来被认为是冥王星的卫星之一。后来发现,由于冥王星和卡戎的质量和体积相差不大,冥王星并不是绕自身轴线自转,而是环绕冥王星和卡戎连线上的某一点旋转,所以实际上冥王星和卡戎组成了一个双星系统。因此2006年,冥王星从行星“降级”为矮行星,和从卫星“上位”成为矮行星的卡戎共同组成双矮行星系统,从此太阳系就只剩下八大行星。也是因为两者质量和体积接近,它们均被对方潮汐锁定,即只有在冥王星的一个半球上才能看到卡戎,只有在卡戎的一个半球上才能看到冥王星。是以卡戎曰:相看两不厌,只有冥王星。
限于知识水平,不敢把这篇文章归进“科普”类,尤是这个“科”字最为心虚,但“普”字还能够勉强一搏,为了不误导祖国的花朵和老树,给自己扣上伪科学的帽子,就把它叫做“普文”吧。