月球為什么有“正反面”

魏然

中秋將至，建議將美味的月餅和月球主題的科幻小說搭配食用哦！也許你在閱讀時，會注意到凡爾納在《環繞月球》中提到了月球背面的森林，阿瑟·克拉克的《月海沉船》里還專門設置了“月球背面總工程師”的職務……等等，為什么不停自轉著的月球會像月餅一樣，也有正反面呢？

鎖定月球的神秘力量

按照慣常的想法，如果一個皮球在自轉，其表面的每個部分都會隨著旋轉依次朝向我們，月球也應是如此。但如果你留意滿月時的月亮表面，就會發現問題——月面上搗藥的玉兔好像和千年前古人記錄的并無不同，月球朝向我們的一面是固定的！

是什么神秘的力量足以抗衡月球的自轉，“ 鎖定”了這一面呢？

我們知道，月球之所以圍繞地球旋轉，是由于萬有引力。在月球被地球吸引的同時，地球上的物體也會被月球吸引。譬如海洋中的水，會在月球的吸引下朝著它“鼓起”，由此在地球表面的不同位置形成了不同高度的海面。隨著地球的自轉和月球的公轉，月球在天空的位置不斷改變，地球表面的海水朝月球鼓起的位置也會隨之移動，如果站在一個地方不動，會看到海平面時高時低，這就是潮汐現象。

鎖定月球的神秘力量，正是類似的潮汐力——只不過并非海洋中的液體潮汐，而是巖石中的“ 固體潮汐”。

什么事“潮汐鎖定”

和海洋類似，巖石受到來自外部的引力，也會“鼓起”。比如在月球的引力作用下，地球上的巖石會向著月球所在的方向“ 鼓起”，形成起伏40 ～ 60 厘米的“ 固體潮汐”。換句話說，地球在月球引力的影響下，變得不那么圓了，在地月連線的方向上變得細長——仿佛杧果的形狀。同樣，月球也會有類似的形狀變化。

由于巖石“鼓起來”之后，回縮的速度較慢，隨著月球的自轉，月球上這塊尚來不及縮回的鼓起部分漸漸偏離了正對地球的方向。此時，作用在鼓起這部分上的地球引力會把它拽回正對地球的方向。這就形成了一種與月球自轉方向相反的力量——如果月亮轉得太快，就把它拽得慢一點；如果月亮轉得太慢，就把它拽得快一點，以使月球上的鼓起部分盡可能靠近地球。久而久之，月球的自轉速度就被精準“拿捏”了——自轉周期與繞地球公轉一周相同。于是，它在我們眼中就仿佛定住了一般，永遠只以固定的一面朝向地球。

實際上，月球因為地球引力被“拉長”變形為“杧果”后，“杧果”的兩端都可以看作是鼓起的區域，兩塊區域在地球引力的作用下，對月球自轉的影響方向正相反。他們會相互抵消嗎？并不會。兩塊鼓起區域受力大小不同，由于近地球端受到的引力更大，在影響月球自轉的方向上，抵消掉遠地球端所受的力之后仍有剩余。最終，月球還是被地球“ 鎖住”了。

隨處可見的潮汐鎖定

潮汐鎖定在宇宙中很普遍。包括月球在內，木衛三、土衛六、海衛一等太陽系前十大衛星，無一例外都被其所環繞的行星“鎖住”了。許多已知的系外行星距離所屬恒星很近，據推測也處于潮汐鎖定的狀態。羅伯特·索耶的小說《遠望》里，就描述了一個生活在衛星“背面”的恐龍文明，在環球旅行中發現潮汐鎖定真相的故事。甚至當兩顆星球質量差距不大的時候，還會相互鎖定，比如冥王星及其衛星“卡戎”，直徑僅相差一倍左右，就永遠以固定的一面彼此“ 臉對臉”。

實際上，地球的自轉速度也因為類似的原因在逐漸變緩。化石等證據表明，5 . 7億年前，地球自轉一圈只需要約20 . 5小時——后來增加的3 . 5 小時自轉時間正是來自月球在數億年間試圖“ 鎖住”地球，不斷為地球自轉踩的剎車。

潮汐鎖定用起來

潮汐鎖定對我們而言有什么實際用處呢？

拿月球來說，由于始終只有一個面朝向地球，借助阿波羅飛船在月球表面安置的反射鏡陣列，就能不間斷地通過激光的反射精確測量地月距離，而不必被月球的自轉干擾。

有些人造衛星也利用了這一原理。如果衛星在繞地球公轉的同時還有復雜的自轉，會給操控和拍照等帶來不少麻煩。利用潮汐鎖定，可以在衛星入軌后，將其一面固定指向地球。

潮汐鎖定在未來的宇宙探索中也有用武之地。當一顆行星被其所屬恒星潮汐鎖定后，行星就永遠以相同一面對著恒星。在行星表面建立光能發電站，將能輕松實現全天候發電。