月亮是有自轉的,只不過自轉周期與繞地球的公轉周期相同,因此每天夜晚我們看到的月面幾乎都是一樣的,所以容易讓人產生月球沒有自轉的錯覺。
我們將月亮目前的運行狀態稱為「潮汐鎖定」,也就是被地球所產生的潮汐力給鎖住了,導致月球的自轉周期與公轉周期一致。
簡單來說,考慮到客觀物體體積的存在,質量是分布在體積內的,因此「質點」這一概念嚴格來講是不存在的,而萬有引力定律告訴我們,引力隨物體之間的距離成平方反比,也就說物體的正面與背面,由於相距一段距離,因此兩面所受到的引力大小是有區別的。
而物體本身則會受到這個引力差的影響,比方說月球對地球的影響,由於地球表面覆蓋了很大面積的海水,加上海水作為液體,引力差的影響則更為明顯,而這個影響所導致的結果就是海洋會出現潮汐現象,於是我們乾脆將這個引力差稱為潮汐力。
同樣的,月球對地球有潮汐力,那麼地球對月球也有潮汐力,但由於月球表面並不存在海洋,因此我們不太容易觀測到潮汐力對月球表面的形變作用,但這並不代表沒有,實際上月球的形狀在地球潮汐力的影響下,是傾向於一種類似橄欖球樣式的長橢球形(當然了,這只是一個比喻,實際上是不可能有橄欖球那麼誇張的)。
雖然潮汐力將月球形狀拉長了(我們將拉長的那部分稱為潮汐隆起),但這並不能立刻使得月球的自轉周期與公轉周期保持一致,為此我們還需要考慮這樣一個過程:
當月球自轉周期與公轉周期不一致時,月球上兩端潮汐隆起的部分,其連線指向並不會時刻面向地球,而這樣就會導致一個力矩產生,迫使其面向地球,如下圖所示:
很顯然,這樣的過程會直接改變月球的自轉周期,最終在長期的磨合下,月球兩端隆起的連線指向就一直朝向地球了,於是這就導致了我們在地球上每次都只能看到月球相同的一面,此時月球的自轉周期與公轉周期也保持了一致,也就是潮汐鎖定形成了。
聽著有些不可思議,畢竟月球的質量不過地球的1/81,但答案是肯定的,只要時間足夠長,地球也是會被月球潮汐鎖定了,到時候二者就完成了互鎖。
並且地球被潮汐鎖定的原理,實際上與月球被鎖定是一樣的,就以海洋的潮汐為例,由於地球自轉周期遠大於月球,潮汐隆起的部分會被地球帶著轉動,而月球的潮汐力則是保證潮汐隆起的部分對著月球自己,這樣一來就仿佛月球與地球在進行一場拉力比賽,因此海洋與地殼之間便會摩擦生熱,導致地球自轉動能降低,也就是地球自轉速度變慢了。
久而久之,地球就會被月球潮汐鎖定,二者完成互鎖,那時地球的自轉周期將與月球的公轉周期保持一致。
最後再說明一點,地球自轉速度下降,也就意味著地球的自轉角動量下降,考慮到地月系的角動量守恆,因此月球的軌道角動量就會增加,而這樣的結局就是月球軌道抬高,其速率大概是每年遠離地球3.8釐米。
不過地球要被月球潮汐鎖定,還要等個數十億年的時間,因此不必擔憂。