月球是地球唯一的衛星,40多億年來一直默默守護在地球的身旁,既見證著地球的發展和演化,同時也吸引著眾多來自地月系統之外的小行星投入它的懷抱,從而時刻保護著地球的安全。從地球看來,月球有一個非常明顯的特點,那就是始終有一面向著地球,感覺它好像沒有自轉一樣,但實際上月球是有自轉的。
我們判斷一個物體是否處於運動狀態,所選擇的參照系很關鍵。如果我們身處一輛飛馳的火車上,如果不觀察窗外的景物,那麼我們很難發現火車處於運動的狀態,因為我們和火車處於同一個慣性參照系,而如果選擇處於和火車不同的慣性參照系,比如火車軌道旁邊的樹木,那麼從樹的角度來看,無論是火車還是火車上的人都是處於直線運動狀態的。因此,我們在判斷一個系統是否處於運動、或者處於一個什麼樣的運動狀態,必須跳離出這個系統,選擇系統之外的第三者作為參照物,這樣的結果才能相對準確並且易於理解。
對於地球和月球來說,它們共同組成了地月系統。如果以地球或者月球的角度,來判斷地月系統的運動或者其中任何一方的運動規律,顯然是不精確的。那麼,我們就需要找一個第三者作為參照物,比如太陽。雖然從太陽系的整體角度來看,太陽、地球和月亮也是處於一個大的系統,整體上圍繞著銀河系的中心運行,但是如果僅從了解地球、月球以及地月系統的運動狀態,那麼用太陽就足夠了。那麼,從太陽的角度來看,地球和月球朝著太陽的一面始終在變化,只不過月球背向和正向太陽的交替時間,要比地球長很多,這種地域的交替,從太陽看來,無論是地球,還是月球,都很清晰地呈現出自轉的狀態。
其實宇宙中所有的天體,都是處於相對運動的狀態的,沒有絕對靜止的天體,這種相對運動的狀態主要體現在兩個方面,一個是自身的自轉,另一個就是圍繞著一個引力源公轉。無論是自轉還是公轉,追溯其形成的原因,都是在星體或者星系在形成的過程中,依靠吸聚星際氣體和塵埃物質來不斷壯大自身的質量而成。原先的星際氣體和塵埃物質在引力擾動作用下,都會產生相應的角動量,而組合形成的星體,都會繼承這些組成物質原本的角動量,從而對外表現出旋轉狀態,無論是太陽、地球和月球都不例外。
其實在月球形成之初,地球和月球的自轉角速度和現在截然不同,都要比現在快得多,遠遠大於目前月球圍繞地球的公轉角速度。由於月球和地球相互間的萬有引力作用,產生了二者轉動的潮汐效應,從而在一定程度上阻止了二者的自轉,使它們的自轉速度慢慢放緩。這個潮汐力,說白了就是起到「拉扯」作用的力。從地球的角度來看,由於自轉速度較快,海水由於具有流動性,在月球引力的作用下會發生形變(其實太陽的引力作用也會使海水發生形變,只不過月球距離地球很近,對海水的吸引效果要明顯高於太陽),海水會發生定向性的隆起,由於自轉速度較快,隆起的海水當轉過地球和月球質心連線時,又會在引力作用下向反方向回落,於是持續發生著地球上的潮漲和潮落現象,也正是這種海水的反覆運動,與海底和海岸的巖石發生持續的摩擦,在一定程度上起到了給地球「剎車」的效果,地球的自轉速度逐漸放緩,從剛形成的自轉周期6個小時延長到目前的24小時左右。
在地球自轉速度逐漸放緩的過程中,月球同樣也會受到地球的潮汐力作用,由於月球表面沒有海洋,其巖體在地球潮汐力的作用下會發生不太明顯的形變,內部也會出現相應的應變,使得月球始終在改變其質心位置,從而在一定程度上也慢慢拖拽著月球,使其自轉速度變慢,直至其公轉周期與自轉周期相同時,月球受潮汐力不再發生著內部的應變和表面的形變,月球的結構才變得穩定了下來,這就是月球被地球潮汐鎖定的主要原因。從這個過程來看,月球和地球相互之間的潮汐力,都有著使雙方自轉速度變慢的趨勢,只不過地球的質量比月球大得多,因此自轉速度放緩的進程,要比月球長得多,至今沒有形成互相鎖定的局面。
隨著時間的推移,在地球自轉速度越來越慢的影響下,角動量的損失則由月球所繼承,月球為了維持和地球的穩定關係,「不得不」離地球越來越遠。預計再過10億年左右,月球的公轉角速度將和地球的自轉角速度變得一致,大約在46天左右。
通過上述分析,我們可以看出,一個星體被另一個星體潮汐鎖定的快慢,主要取決於兩個因素,第一是兩個星體間的距離很近,潮汐力較大;第二就是兩個星體的質量差別不是太大,這樣更容易相互鎖定。至於問題中提到的有些行星的衛星沒有被潮汐鎖定,主要還是出在這兩個原因上,要麼兩個星體之間的距離太大,潮汐力影響效果有限;要麼二者的質量差別過大。兩個因素的綜合,使得行星中的部分衛星沒有被行星鎖定。