月球为何始终“正面”对地球？

“嫦娥四号”探测器实现了人类探测器首次在月球背面的软着陆。其后， “嫦娥四号”着陆器与被命名“玉兔二号”月球车的巡视器分离，按计划开展相关任务。图为着陆器地形地貌相机拍摄的玉兔二号在A点影像图。中国国家航天局/供图

梅林

2019年1月3日，我国的“嫦娥四号”顺利在月球南极-艾特肯盆地内的冯·卡门撞击坑内降落，实现世界首次月球背面软着陆。

很多人会问：按常理来说，月亮是一个旋转的球，旋转的球为啥还分正面背面？它只要转起来，所有的表面难道不应该都有对着地球的机会吗？

实际观测已经证明，月球确实是只有一面朝着地球。天文学将这种现象称为“潮汐锁定” 。

月球竟然不是一个正圆！

万物之间互相吸引，这种力就是万有引力。物体之间距离越近，引力越大；距离越远，引力越小。这就是万有引力的基本规则。

首先我们从静止不动的地球和月球来想一想。物体都是有大小的，那么月球表面靠近地球的一侧和远离地球的一侧，由于到地球的距离不同，受到来自地球的引力就不一样大。当然，对于地球来说也是这样。所以，这两个球可能会由于两端受到的力不一样大而被扯成椭圆。以月球为例，它两侧受到的地球引力不一样大，就相当于受到一种撕扯力，因此被“扯”成了一个椭圆。

月球受地月引力的“合力”影响

既然月球不是正球，而是一个椭球，就会出现一些比较有趣的结果。

月球除了进行围绕地球的公转，还要进行自转。起初，这两个转速本身并不一定相同。我们可以假设月球自转速度是公转速度的1.5倍，也就是说月球绕地球转过了30°时，自己已经自转了45° 。而这两个角度不同，肯定会导致月面上的物质所受到的地球引力和月球引力不在一条垂直的直线上——月心引力指向月心，而地心引力指向地心——也就是说，假设月球自转比公转快，那么地球引力和月球引力的合力就会使得月面上的点受到一个阻碍自转的合力，这个合力会持续指向一个阻碍月球自转的方向。

用类似的方法再来推理一次：如果反过来，月球自转比公转慢，那么这个合力就会与自转的方向相顺应，也就是说，这个合力会促进月球自转。

既然自转快了就会被减速，慢了就会被加速，那么经过一段时间之后，月亮会稳定在一个什么状态呢？当然就是——自转和公转速度一样快了。

而自转和公转一样快意味着什么呢？这意味着在相等时间内，月球自转扫过的角度和公转扫过的角度一样大。所以，月球也就只有一个面朝着地球了。

月球会“锁定”地球吗？

综上所述，月亮只有一面朝向地球的原因有两个：第一个是因为潮汐力的作用使得月球是椭球,第二个就是月球自转和公转的相互作用使得自转速度向公转速度靠拢。最终的结果是自转速度和公转速度相同，这就是“潮汐锁定”现象。

不过，虽然月球只有一面朝向地球，但是我们能观察到的月面要比一半多一些，大概占月面总面积的60% 。

这主要是月球自转轴和公转平面的夹角以及公转轨道的离心率造成的。另外，由于地球比月球大，所以在月出和月落时，可以因视角的问题分别多看到一点背面的部分。

其实地球也因为受到月亮施加的潮汐力，也是一个椭圆球体，而且也在自转的同时会围绕着月亮转（这是运动的相对性）。所以，地球的自转速度（24小时一圈）也在向着围绕月球转的速度（30天一圈）靠拢。但是，由于月球相对于地球太小了，所以产生的“合力”对地球自转的拉扯非常有限，在可以预见的未来，地球也并不会被月球“锁定” 。

但地月系统有没有机会最终被彼此“锁定”成功呢？就像花样滑冰中两名互相锁定的选手那样“牵手共转” ，两者都只能有一面朝向彼此。要知道，在太阳系中，冥王星和它的“伴侣”卡戎，就因为它们离得比较近而且质量差距也不太大，已经成功实现这一“锁定” 。这还得再考虑一下日地系统的影响。

地球自转的速度（24小时一圈）比它绕太阳公转的速度（约365天也就是8760小时一圈）快很多。这意味着地球的自转速度也会因此而逐渐减速。有研究表明，在太阳和月球的双减速作用下，每过一个世纪，地球上的一天时长就会增加约1.7毫秒。因为6亿多年前的地质数据表明，当时地球上一天仅有21小时左右，相应地，一年有400多天。按照这个速度发展下去，就算到了太阳毁灭的那一刻（预计在45亿年后），地球的自转速度也不可能减慢到一个月一圈，也就是说地球和月球“这辈子”都没机会互相锁定了。

这样也好——如果地球真的被月球锁定，就意味着只有一半的地球表面能够看到月亮了，到那时，看个月亮都要出国……

（转载自：科学大院公众号ID：kexuedayuan）

作者：梅林