【物理科普】为什么月球总是一面朝向地球，一图看懂潮汐锁定！

2019年1月3日，嫦娥四号降落月球背面，为人类历史上第一次登陆月球背面。神秘的月球背面终于揭开了她的面纱。

自古以来，由于 月球自转和公转周期相同，导致月球只有一个“正面”朝向地球。地球上的人们从来没有看到过月球背面。

NASA的深空天气探测卫星在150万千米外日地拉格朗日点“定点”观察而来的月球掠过地球，可以明显看到月球只有一面对着地球（图源：NASA）

不管是初一还是十五，不管是看到一丁点月球还是看到全部的月球（不同的月相），我们看到的都是月球的正面。

这种现象在天文学中称为 潮汐锁定(或同步自转、受俘自转)：重力梯度 使天体永远以同一面对着另一个天体例如，月球永远以同一面朝向着地球。潮汐锁定的天体绕自身的轴旋转一圈要花上绕着同伴公转一圈相同的时间。

为什么会出现这种现象呢？

根据 万有引力定律，地球对月球不同部分的吸引力是不一样的，靠近地球的部分受到的吸引力大，远离地球部分受到的吸引力小。

这导致月球被引力“拉扯”为一个椭圆（示意图较夸张）。在月球绕着地球旋转的过程中，她的 长轴会始终沿着地月连线。

为什么会出现这种现象呢？

我们可以假设一种月球长轴不沿着地月连线的情况（此时可以认为月球自转较慢），如下图所示。

那么它的长轴两侧部分受到地球的吸引力大小不同，引起 不同的力矩，这个合力矩效果要 使得月球要逆时针转向地月连线方向（绿色箭头所示），即增加了月球的自转速度。

同理，在另一种情况下， 月球长轴不沿着地月连线的情况（此时可以认为月球自转较快） 如下图所示，那么它的长轴两侧部分受到地球的吸引力力大小不同引起的力矩使得月球要顺时针转向地月连线方向 （绿色箭头所示），即减慢了月球的自转速度。

也许在地月系统形成的一开始月球的自转周期不一定是和公转周期相同的，但是经过长年累月的“潮汐锁定”，月球的自转周期就变得和公转周期相同了。

在我们的 宇宙中，“潮汐锁定”无时不刻不在进行着，就像地球也不断的被太阳潮汐锁定，自转周期不断变慢。有的小伙伴可能会担心，那么地球自转周期会不会也变成365天呢，这样，地球上的一天就是现在的一年，一半始终黑天，一半始终白天，那不是很惨吗？

其实不用担心，地球自转速度减慢非常小，大约是 每个世纪自转周期增加1/1000秒。这对于人类的影响还是非常小的。

最著名的潮汐锁定要属我们太阳系大家族的 冥王星和就它的卫星卡戎了。

卡戎的自转和公转周期相同，和月球对地球一样，总是一同一个半球对这冥王星。而冥王星的自转周期也和卡戎的自转周期完全相同。所以，冥王星也总是以同一半球对着卡戎。

他们彼此完成了潮汐锁定，使得二者总是面对面，是宇宙中最亲密的恋人，如同始终在跳一支相对旋转的舞蹈。

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