月球一直都以相同的一面朝向地球,是巧合還是另有隱情?

月球是距離地球最近的星球,也是地球夜空中最明亮、也最容易觀察到的天體。有意思的是,因為月球一直都以相同的一面朝向地球,所以對于我們這些生活在地球上的人類而言,就始終只能觀察到月球固定的一面。

我們通常會將月球朝向地球的一面稱為月球的正面,而將另一面稱為月球的背面,按照這樣的定義,在地球上的我們就始終看不到月球的背面。那麼問題就來了,為什麼會出現這樣的現象呢?這到底是巧合還是另有隱情?

宇宙中確實存在著很多巧合,別的不說,就說我們人類的出現,其實就是大量的巧合的疊加效果。然而「月球一直以相同的一面朝向地球」這種現象卻不能算是巧合,而應該算是「另有隱情」,不過所謂的「隱情」并沒有想象中的那麼神秘,這其實就是一種被稱為「 潮汐鎖定」的現象,下面我們就來具體了解一下。

首先我們需要了解一下宇宙中的眾多星球為什麼都是類似球體的形狀,簡單來講就是,這是星球自身引力的作用,由于引力可以無限疊加,因此當一個天體的質量達到一定程度的時候,其自身的引力就會強大到使星球的物質在整體上表現為一種類似流體的狀態。

在理想情況下,當構成星球的物質達到流體靜力平衡時,星球的形狀會成為一個完美的球體,但實際上,這樣的情況并不會發生,因為宇宙中會存在各式各樣的因素來影響星球的形狀,月球當然也不例外。

在月球圍繞地球公轉的過程中,月球會受到地球引力的影響,另一方面來講,由于月球自身的慣性,月球還會具備一個遠離地月系統質心的運動趨勢,我們可以將其稱為「離心力」,其方向與地球引力的方向正好相反,也就是說,當地球引力和「離心力」達到平衡時,月球就可以穩定地圍繞著地球公轉。

(需要注意的是,「離心力」是一種為了方便討論而引入的虛擬力,它其實是物體慣性的一種體現,請大家注意區分)

根據與地球的距離的不同,月球不同部位所受到的地球引力和「離心力」就會存在著一定的差異,具體表現為距離地球越近,地球引力就越大,而「離心力」則越小,反之亦然。

由于月球的體積足夠大,因此在月球上相距較遠的部位,其受到的地球引力和「離心力」就會存在著明顯的差異,而月球距離地球最近的部位,受到的地球引力最大,而距離地球最遠的部位,受到的「離心力」最大。

這種情況就會影響到月球的流體靜力平衡,于是在月球的「正對著地球的一面」和「背對著地球的一面」都會出現輕微地隆起,這種現象也被稱為「潮汐隆起」,我們可以簡單地將其理解為,月球的形狀被拉成了一個橢球體。

上圖中的A代表地球,B代表月球,月球在位置1的時候,它被拉成了一個橢球體(注:實際情況沒這麼夸張),假設月球的自轉速度比公轉速度更快,那麼當月球公轉到位置2的時候,其在位置1形成的「潮汐隆起」部位就會偏離原來的位置。

由于「潮汐隆起」需要一定的時間才能恢復,因此月球在位置1形成的「潮汐隆起」的兩端就會存在一對大小相等、方向相反、但不在一條直線上的平行力,其中的一個為地球的引力,另一個則是「離心力」, 這其實就可以認為是一對力偶

我們都知道, 力偶是可以讓物體產生轉動效應的,所以月球就會因此而具備向其自轉方向相反的方向轉動的趨勢,而這就會降低月球原本的自轉速度。反過來講,如果月球的自轉速度比公轉速度更慢,那麼當月球公轉到位置2的時候,月球的自轉速度就會增加。

可以看到,在上述機制的作用下,只要時間足夠長,月球的自轉和公轉最終就會同步,也就是 月球每圍繞地球公轉一圈,它就剛好完成一次自轉,而這種現象就是所謂的「潮汐鎖定」

根據科學家的估算,月球誕生于大約45億年前,據此我們完全可以想象,就算在月球誕生之初,其自轉和公轉是不同步的,那在經歷了如此長的時間之后,月球應該早已被地球「潮汐鎖定」了,而實際情況也確實如此。

如上圖所示,我們現在所看到的月球其實是有自轉的,只不過由于它的自轉周期和公轉周期剛好相等,所以月球就會一直都以相同的一面朝向地球,而地球上的我們當然也就始終看不到月球的背面了。由此可見,這種現象并非巧合,而是在宇宙規律支配下的必然結果。

實際上,「潮汐鎖定」在宇宙中并不罕見,就算是在太陽系中也是如此,比如說火星、木星、土星、天王星、海王星的衛星普遍都存在著「潮汐鎖定」現象,而最離譜的則是冥王星和它最大的衛星——「卡戎」,因為它們都被對方「潮汐鎖定」了。


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