出品：科學大院
原創： 梅林
2019年1月3日，嫦娥四號順利在月球南極-艾特肯盆地內的馮卡門撞擊坑內降落，實現世界首次月球背面軟著陸。
不過，還有很多吃瓜群眾紛紛舉手提問：按常理來說，月亮是一個旋轉的球，旋轉的球為啥還分正面背面呢？它只要轉起來，所有的表面難道不應該都有對著地球的機會嗎？
實際觀測已經證明了月球確實是只有一面朝著地球，天文學將這種現象稱為潮汐鎖定。那麼，潮汐鎖定究竟是什麼呢？
月球竟然不是一個正圓！？
萬物之間互相吸引，這種力就是萬有引力。物體之間距離越近，引力越大；距離越遠，引力越小，這就是萬有引力的基本規則。
為了簡化問題，首先我們來考慮靜止不動的地球和月球。雖然物理課本上把物體當作沒有大小的質點來看待，但是它們畢竟還是有大小的。所以，月球表面靠近地球的一側和遠離地球的一側，由於到地球的距離不同，所以受到來自地球的引力就不一樣大。當然，對於地球來說也是這樣。所以，這兩個球會由於兩端受到的力不一樣大而被扯成橢圓。
△地球和月球。以月球為例，它兩側受到的地球引力不一樣大（兩條紅線不一樣長），所以相當於受到一個撕扯力，所以被扯成一個橢圓（事實上沒有那麼橢，為了說明問題而畫得誇張些）。圖片來源：作者自製
引力：月球怎麼轉，還不得聽我的！
現在我們知道，月球不是正球，而是一個橢球，這就會出現一些比較有趣的結果。
月球除了進行圍繞地球的公轉，還要進行自身的自轉。起初，這兩個轉速本身並不一定相同。為了方便討論，我們假設自轉速度是公轉速度的1.5倍，也就是說月球繞地球轉過了30°時，自己已經自轉了45°。這兩個角度不同，會導致月面上的物質所受到的地球引力和月球引力不在一條直線上。具體的描述可以參考下面的示意圖。
△潮汐力對月球自轉的影響示意圖。圖中假設月球自轉比公轉快，那麼地球引力和月球引力的合力就會使得月面上的點受到一個阻礙自轉的合力。圖片來源：作者自製。
這是一幅從地球北極的上方看過去的俯視圖。由於我們現在只考慮月球，所以我們將地球看成一個點。
起初，月球在地球的正右方，前面我們說過，由於潮汐力的存在，月球被扯成一個橢球。接下來，月球將要同時進行自轉和公轉。我們前面假設過兩個速度不同——當月球公轉了30°時，自身已經自轉了45°。請注意圖中自轉和公轉的方向。此時我們將月球放大，並且考慮月面長軸上的一點。由於月球是一個橢球，所以這點受到的月心引力和地心引力不在一條直線上（月心引力指向月心，而地心引力指向地心，也就是平行於月心和地心的連線。此時讀者可以自行想像：如果月球是一個正圓球，這兩個力的方向應該是在同一條直線上）。這兩個力的合力也就不再沿著地月連線，而是朝向一個阻礙月球自轉的方向（圖中可以看出，合力的方向與紅色箭頭所示的自轉方向相對抗）。
請注意（敲黑板），前面我們假設的情形是月球自轉比公轉快（在一段時間內，自轉45°而公轉30°）。用類似的方法可以推出，如果反過來（自轉比公轉慢），那麼這個合力就會與自轉的方向相順應，也就是說促進月球自轉（作者內心獨白：讀者那麼聰明肯定能自己推導的，所以不用寫了）。也就是說，如果自轉比公轉快，那麼合力會減速自轉；如果自轉比公轉慢，那麼合力會加速自轉。
快了就會被減速，慢了就會被加速，那麼經過一段時間之後，月亮會穩定在一個什麼狀態呢？當然就是——自轉和公轉速度一樣快了。自轉和公轉一樣快意味著什麼呢？這意味著在相等時間內，月球自轉掃過的角度和公轉掃過的角度一樣大。所以，月球也就只有一個面朝著地球了。下圖就描繪了這個情形。
△月球自轉和公轉一樣快的結果就是月球只有一面向著地球。圖中灰色的角度是公轉掃過的角度，粉色表示的是自轉掃過的角度。如果這兩個角度相等，那麼就導致月球只有綠點的一面能夠朝向地球。圖片來源：作者自製。
如果地球被月球鎖定……
綜上所述，月亮只有一面朝向地球的原因有兩個：第一個是因為潮汐力的作用使得月球是橢球，第二個就是月球自轉和公轉的相互作用使得自轉速度向公轉速度靠攏。最終的結果是自轉速度和公轉速度相同，這就是潮汐鎖定現象。
不過雖然月球只有一面朝向地球，但是我們能觀察到的月面要比一半多一些，大概佔月面總面積的60%。這主要是月球自轉軸和公轉平面的夾角以及公轉軌道的離心率造成的。另外，由於地球比月球大，所以在月出和月落時，可以因視角的問題分別多看到一點背面的部分。
此時我們回過頭來考慮地球，地球也是因為受到月亮施加的潮汐力而成為橢球，而且也是在自轉的同時圍繞著月亮轉（運動的相對性）。所以，地球的自轉速度（24小時一圈）也在向著圍繞月球的速度（30天一圈）靠攏。但是，由於月球相對於地球太小了，所以對地球自轉的拉扯非常有限，在可以預見的未來並不會被月球鎖定。
如果地球也被月球鎖定的話，那麼地月系統就解鎖了一項新成就：雙向鎖定，兩者都只能有一面朝向彼此。可以想像一下花樣滑冰比賽中兩位選手相向旋轉的場景，那就是雙向鎖定之後地球和月亮之間的舞蹈。在太陽系中，已經解鎖這項成就的是冥王星和它的伴侶卡戎，因為它們離得比較近而且質量差距也不太大。那麼地月系統有沒有機會最終牽手成功呢？
雖然月球對地球的影響不大，但是我們還要考慮日地系統。地球自轉的速度（24小時一圈）比它繞太陽公轉的速度（約365天也就是8760小時一圈）快很多。這意味著地球的自轉速度也會因此而逐漸減速。研究表明，在太陽和月球的雙減速作用下，每過一個世紀，地球上的一天時長就會增加約1.7毫秒，因為6億多年前的地質數據表明，當時地球上一天僅有21小時左右，相應地，一年有400多天。按照這個速度發展下去，就算到了太陽毀滅的那一刻（45億年後），地球的自轉速度也不可能減慢到一個月一圈，也就是說地球和月球這輩子都沒機會互相鎖定了。
不過這樣也好——如果地球也被月球鎖定，那就意味著只有一半的地球表面能夠看到月亮了，到那時豈不是看個月亮都要出國……
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