月球为什么有“正反面”

魏然

中秋将至，建议将美味的月饼和月球主题的科幻小说搭配食用哦！也许你在阅读时，会注意到凡尔纳在《环绕月球》中提到了月球背面的森林，阿瑟·克拉克的《月海沉船》里还专门设置了“月球背面总工程师”的职务……等等，为什么不停自转着的月球会像月饼一样，也有正反面呢？

锁定月球的神秘力量

按照惯常的想法，如果一个皮球在自转，其表面的每个部分都会随着旋转依次朝向我们，月球也应是如此。但如果你留意满月时的月亮表面，就会发现问题——月面上捣药的玉兔好像和千年前古人记录的并无不同，月球朝向我们的一面是固定的！

是什么神秘的力量足以抗衡月球的自转，“ 锁定”了这一面呢？

我们知道，月球之所以围绕地球旋转，是由于万有引力。在月球被地球吸引的同时，地球上的物体也会被月球吸引。譬如海洋中的水，会在月球的吸引下朝着它“鼓起”，由此在地球表面的不同位置形成了不同高度的海面。随着地球的自转和月球的公转，月球在天空的位置不断改变，地球表面的海水朝月球鼓起的位置也会随之移动，如果站在一个地方不动，会看到海平面时高时低，这就是潮汐现象。

锁定月球的神秘力量，正是类似的潮汐力——只不过并非海洋中的液体潮汐，而是岩石中的“ 固体潮汐”。

什么事“潮汐锁定”

和海洋类似，岩石受到来自外部的引力，也会“鼓起”。比如在月球的引力作用下，地球上的岩石会向着月球所在的方向“ 鼓起”，形成起伏40 ～ 60 厘米的“ 固体潮汐”。换句话说，地球在月球引力的影响下，变得不那么圆了，在地月连线的方向上变得细长——仿佛杧果的形状。同样，月球也会有类似的形状变化。

由于岩石“鼓起来”之后，回缩的速度较慢，随着月球的自转，月球上这块尚来不及缩回的鼓起部分渐渐偏离了正对地球的方向。此时，作用在鼓起这部分上的地球引力会把它拽回正对地球的方向。这就形成了一种与月球自转方向相反的力量——如果月亮转得太快，就把它拽得慢一点；如果月亮转得太慢，就把它拽得快一点，以使月球上的鼓起部分尽可能靠近地球。久而久之，月球的自转速度就被精准“拿捏”了——自转周期与绕地球公转一周相同。于是，它在我们眼中就仿佛定住了一般，永远只以固定的一面朝向地球。

实际上，月球因为地球引力被“拉长”变形为“杧果”后，“杧果”的两端都可以看作是鼓起的区域，两块区域在地球引力的作用下，对月球自转的影响方向正相反。他们会相互抵消吗？并不会。两块鼓起区域受力大小不同，由于近地球端受到的引力更大，在影响月球自转的方向上，抵消掉远地球端所受的力之后仍有剩余。最终，月球还是被地球“ 锁住”了。

随处可见的潮汐锁定

潮汐锁定在宇宙中很普遍。包括月球在内，木卫三、土卫六、海卫一等太阳系前十大卫星，无一例外都被其所环绕的行星“锁住”了。许多已知的系外行星距离所属恒星很近，据推测也处于潮汐锁定的状态。罗伯特·索耶的小说《远望》里，就描述了一个生活在卫星“背面”的恐龙文明，在环球旅行中发现潮汐锁定真相的故事。甚至当两颗星球质量差距不大的时候，还会相互锁定，比如冥王星及其卫星“卡戎”，直径仅相差一倍左右，就永远以固定的一面彼此“ 脸对脸”。

实际上，地球的自转速度也因为类似的原因在逐渐变缓。化石等證据表明，5 . 7亿年前，地球自转一圈只需要约20 . 5小时——后来增加的3 . 5 小时自转时间正是来自月球在数亿年间试图“ 锁住”地球，不断为地球自转踩的刹车。

潮汐锁定用起来

潮汐锁定对我们而言有什么实际用处呢？

拿月球来说，由于始终只有一个面朝向地球，借助阿波罗飞船在月球表面安置的反射镜阵列，就能不间断地通过激光的反射精确测量地月距离，而不必被月球的自转干扰。

有些人造卫星也利用了这一原理。如果卫星在绕地球公转的同时还有复杂的自转，会给操控和拍照等带来不少麻烦。利用潮汐锁定，可以在卫星入轨后，将其一面固定指向地球。

潮汐锁定在未来的宇宙探索中也有用武之地。当一颗行星被其所属恒星潮汐锁定后，行星就永远以相同一面对着恒星。在行星表面建立光能发电站，将能轻松实现全天候发电。