2019年1月3日， 中國的「嫦娥四號」衛星成功的在月球背面登陸，它攜帶的月球探測車「玉兔二號」也開始了正常的工作，這是人類歷史上第一次在月球背面實現軟著陸，揭開了人類探索月球的新的篇章。
月球在圍繞地球公轉時，也在自轉。在恆星參考系下，月球公轉時間是27.32天，自轉周期同樣也是27.32天，於是就造成了月球總是一面朝著地球。
也正因為如此，千百年來，月球的背面對人類十分神秘。直到近代，人類發射了許多的人造衛星，才終於揭開了月球背面神秘的面紗。
那麼，為什麼月球的自轉周期和公轉周期嚴格相等呢？為了解釋這個問題，我們首先要從一個虛擬力：慣性離心力說起。
力是物體之間的相互作用，需要有施力物體和受力物體，比如重力、摩擦力、彈力、電磁力等都是真實存在的力。但是，有時候為了數學處理的方便，我們會引入一些虛擬的力，它們不存在，但是引入之後會使問題的討論變得十分方便，慣性離心力就是這樣一種力。
我們都有過這樣的經歷：在公交車上，如果公交車向左轉彎，我們的身子會不由自主的向右歪。在遊樂場裡有種類似旋轉鞦韆的設施，一旦轉動起來，人就會飛到空中，這些都可以看做慣性離心力的作用。
我們可以設計這樣的一個模型來說明慣性離心力：有一個勻速旋轉的圓盤，上方固定了一個小球。原本小球和圓盤一起旋轉，但是某個時刻，小球和圓盤的連接突然斷掉了。此後，圓盤會繼續旋轉，但是小球會憑藉慣性做勻速直線運動。
此時如果我們站在圓盤上看，就會覺得小球離中心點越來越遠，好像有一種力正在拉著小球向外運動，我們可以把這種力叫做慣性離心力。
經過物理學的推導，慣性離心力的公式為：
其中m表示物體的質量，r表示物體到旋轉圓心的距離，而ω稱為角速度，表示物體旋轉的快慢，它的大小等於2π與旋轉周期的比。從公式可以看出：物體的質量越大，距離中心越遠，旋轉的越快，那麼慣性離心力就越大。
利用慣性離心力，我們就可以方便的解釋潮汐了。
我們知道：地球時刻受到太陽的萬有引力作用，同時地球在圍繞太陽做圓周運動，因此還受到了慣性離心力。
萬有引力的大小為
其中G是萬有引力常數，M和m分別是太陽和地球的質量，r是太陽和地球的距離。容易看出：萬有引力是隨著距離的增大而減小的。
另一方面，如前所述，離心力的大小為
離心力是隨著距離的增大而增大的。
在地球中心O的位置，這兩個力剛好等大反向，合力為零，因此地球的公轉半徑幾乎不變，既不會靠近太陽，也不會遠離太陽。
不過，在地球的表面上情況並不是這樣。如果有一個物體在地面上靠近太陽的A點，由於距離太陽近，因此萬有引力變大，離心力變小，萬有引力和離心力的合力指向太陽。類似的，在地面上遠離太陽的B點，物體所受的萬有引力變小，離心力變大，合力背離太陽。這裡A點和B點所受的合力稱為引潮力，是背離地球的。
在地面上有一種非常容易流動的物體：水。由於剛才所述的原因，A點和B點的水都會受到最大的引潮力作用，這會使水面拱起，形成漲潮。同時，水會向A點和B點流動，而在地面上另外兩個位置C和D，水面就會下降，形成落潮。這種因為太陽造成的漲潮和落潮稱為太陽潮。
與太陽潮類似，月球對地球的吸引力和慣性離心力的合力就是月球的引潮力，而且由於月球距離地球更近，月球的引潮力比太陽更大。在地球朝向月亮的一側和背離月亮的一側，會形成月亮潮的漲潮，這種潮水稱為太陰潮。
在農曆初一（朔）和農曆十五（望）的時候，太陽、地球、月球在一條直線上，此時太陽潮和太陰潮的漲潮相互疊加，就會形成大潮。但如果太陽-地球、地球-月球連線相互垂直，就會造成太陽潮和太陰潮相互抵消，形成小潮。
雖然從理論上講大潮的日子都應該是農曆初一和十五、十六，但是由於地球地形等因素的影響，各地大潮的時間稍有不同，例如錢塘江大潮就是在每個月的初三和十八最為壯觀。
理解了離心力和潮汐的原理，我們終於可以解釋為什麼月球總是一面朝著地球了，我們稱之為潮汐鎖定。
不光月球對地球有引潮力，地球對月球同樣有引潮力。但是月球表面上卻沒有水，所以也沒辦法形成潮汐。不過，在引潮力的作用下，經過漫長的歲月，月球上的巖石也會發生流動，月球朝向地球和背離地球的兩側會被拉長，月球變成了橢球體。
在月球圍繞地球轉動的過程中，月球的長軸一直朝向地球。這是因為：假如月球轉動過程中自轉周期與公轉周期不嚴格相等，造成長軸方向偏離了月地連線，引潮力就會及時糾正月球的姿勢：A點的引潮力指向地球，B點的引潮力背離地球，兩個力不共線，造成月球轉動，直到月球的長軸指向地球，兩個引潮力共線抵消未至。
就是在引潮力的作用下，經過十分漫長的過程，月球被地球鎖定了，所以它只能一面朝著地球。
也許有小朋友要問：既然月球被地球鎖定了，地球為什麼沒有被月球鎖定呢？這是因為地球的質量要比月球大很多，鎖定地球需要經過更加漫長的時間。其實，由於引潮力的原因，地球的自轉周期的確在變大，也就是一天的時間越來越長。再經過幾十億年，地球也會被月球鎖定，到了那個時候，地球的一天和一個月就是同樣的時間了。
宇宙中有許多質量較小的星球，現在已經完成了相互鎖定。例如冥王星和它的衛星卡戎，它們就是彼此鎖定的：兩顆星球彼此面對面，圍繞共同的中心旋轉。宛如一對彼此相思，卻不能在一起的戀人。
李永樂老師：北京大學物理與經濟雙學士，清華大學電子工程碩士；北京市中學物理教師/物理競賽教練。從教十年，培養清華北大學生200餘人，國際奧賽、亞洲奧賽、國家奧賽金牌十餘名。
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