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月球分毫不差地始终一面对着地球,是巧合还是另有隐情?

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科学视角

2022-01-12 15:14

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这是在绳子的拉力和环绕运动的离心力共同作用下产生的结果。气球被绳子拉住的一侧会受到向内的作用力,而惯性会让其余部分产生向外的作用力,这两个相反的作用力一个向内拉扯,一个向外拉扯,于是便导致气球的形状发生了改变。

月球始终以同一面对准地球,这当然不会是一种巧合,这件事确实内有隐情,而隐情就是“潮汐锁定”。

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要弄清楚潮汐锁定,我们首先需要大致了解一下潮汐力是怎么回事。

想象一下你手中有一个圆形的气球,你拽着绳子用力甩动,让它在头顶上旋转,它会是不是会被拉长成椭圆形?

天体围绕另一个天体运动也会产生类似的现象。

譬如地球围绕着太阳公转,也会同时受到引力和离心力的共同作用。地球既不跌入太阳,也不会飞走,正是由于离心力和引力正好达到了平衡,但这种平衡仅仅局限于地球的中心。

由于引力会随距离衰减,地球各部分受到的离心力却是相同的,这就使得地球面向太阳的一侧引力大于离心力;背向太阳的一侧引力小于离心力,于是海水就在这两个方向朝相反方向“隆起”了,其具体的表现就是海水涨潮了,这就叫做潮汐力。

当然,地球潮汐会同时受到太阳和月球的影响,因此会有“大潮期”和“小潮期”之分,但这是另一个话题,就不展开描述了。

我们要讨论的重点是潮汐锁定。

就如海水受潮汐力影响而隆起一样,月球围绕地球运行时也会受到潮汐力的影响,虽然月球上没有海水,但固体在长时间的影响下也同样会发生形变而隆起,因此月球实际上是椭圆形的。

椭圆形在受到引力拉扯时,会是怎样的表现呢?

我们不妨用个夸张一些的例子来想象一下:

假如一个气球本来就是椭圆形的,而绳子系在长的一端,那么无论它原本是什么方向,我们只要一拉绳子,它都会立刻朝受力的方向竖直。

同样的道理,椭圆形的天体在各部分受到的引力强度不同时,长的一段受到的引力是最强的,故此它也会倾向于朝向引力的方向“竖直”,久而久之,椭圆形的月球便一直以“竖直”的姿态朝向地球了。

尽管上图的例子有些夸张,但这就是月球始终以同一面朝向地球的原因——朝向地球的一面是它较长的一段。

这里可能有人会产生疑问:

地球和月球相互拉扯对方,受到的引力强度是同等的,并且地球的固体部分也会发生形变,那为什么地球没有被月球潮汐锁定而始终以同一面朝向月球呢?

这是多方面因素造成的,地球的质量比月球大得多是原因之一,但主要是因为时间不够长,当时间足够长之后地球也会被月球或太阳潮汐锁定。

例如冥王星和它的卫星卡戎就同时将对方潮汐锁定了,它们都以同一面“望向”对方,这与双方的质量差异不大,导致相互环绕的质心位于冥王星之外有一定关系。

大家可以看看下图,左侧是地球和月球所环绕的质心,右侧是冥王星和卡戎环绕的质心,可以明显看出双方的差异。

冥王星和卡戎的运动方式,将使得冥王星更容易被“甩”长,越瘦长的形状自然就越容易被潮汐锁定。

而地球和月球的运动方式,使得地球的形变并不十分严重,被潮汐锁定的时间就特别长,因此据科学家的计算,即便直到太阳已经衰竭成红矮星时地球也无法被潮汐锁定。

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