小時候，每當(dāng)?shù)搅讼奶欤液痛迳系泥従觽兌紩艿阶约旱脑鹤永锘蛘咂椒宽斏媳苁钸^夜。俗話說，十五的月亮十六圓，當(dāng)夜幕降臨時，我們抬頭仰望星空時，一輪又大又圓又亮的月兒高掛在空中。這樣的時刻有文學(xué)天賦的孩子們會不禁讀出“明月幾時有”這樣的千古名句，也有聰明愛觀察的孩子會發(fā)現(xiàn)月亮似乎每一個夜晚都只是把一面朝著我們。

仰望星空

不錯，月亮的確總是一面朝著地球，我們把這一面叫做月亮的正面，這種現(xiàn)象叫做潮汐鎖定。看似千年不變的規(guī)律，其背后卻隱藏著深刻的科學(xué)道理，那么地月之間的潮汐鎖定到底是如何形成的呢？

始終朝著地球的月球“正面”

什么是潮汐？

在解答潮汐鎖定之前，首先要了解什么是潮汐，在地球上的一些含水量大的地方，特別是海洋，每到一個特定的時間都會潮汐現(xiàn)象，那么潮汐這種壯觀的現(xiàn)象如何形成的呢？

我們知道，因?yàn)榈厍蚴艿搅颂柕囊ψ饔茫缘厍蚴冀K圍繞著太陽公轉(zhuǎn)，但是地球并沒有被太陽吸入而是在自己的軌道上旋轉(zhuǎn)，正是這個公轉(zhuǎn)的角速度提供的慣性離心力（離心力并不是一種實(shí)際存在的力，而是假想的一種力）使地球達(dá)到了受力平衡而穩(wěn)定在固定的軌道上。

潮汐現(xiàn)象

我們可以把太陽和地球構(gòu)建一個物理模型，首先對地球進(jìn)行簡單的受力分析：

引力F1=GMm/R^2(M為太陽質(zhì)量，m為地球質(zhì)量，R為太陽中心到地球中心的距離)；

離心力F2=mω^2R(m為地球質(zhì)量，ω為地球自轉(zhuǎn)角速度，R為太陽中心到地球中心的距離)；

把地球作為質(zhì)點(diǎn)時的簡單受力

由上圖可知，我們從太陽中心到地球中心畫一條直線，可以找到地面上離太陽最近的A點(diǎn)和離太陽最遠(yuǎn)的B,正常情況下，地球的直徑大小大概是太陽的1/109,我們就可以把地球當(dāng)做一個質(zhì)點(diǎn)來分析，地球上任意地點(diǎn)的所受太陽的引力是一樣大的。

但是對于地球上的軟性物質(zhì)（比如海洋）來說，在A點(diǎn)和B點(diǎn)引力的差異會造成其運(yùn)動方向的差異，下面簡單的計算一下：

在A點(diǎn)的太陽引力為Fa=GMm/(R-r)^2，其中r為地球的半徑，此時的引潮力

Fac=Fa-F2>0；

在B點(diǎn)的太陽引力為Fb= GMm/(R+r)^2，其中r為地球的半徑，此時的引潮力

Fbc=Fb-F2<0；如下圖所示：

地球上各點(diǎn)所受太陽的引力各不相同

此時，在這兩個引潮力的作用下，由于海水沒有慣性，地球會趨向于一個橢球的形狀，作為流體的海水會有明顯的運(yùn)動。

地球的潮起潮落，月亮和太陽誰的作用大？

大部分的科普文章中直接就說漲潮是月亮引力引起的，那么為什么不是太陽引力引起的呢？剛剛我們分析了日地系統(tǒng)的引潮力，其實(shí)地月系的引潮力原理相同，通過簡單的計算就可得知到底是太陽的影響大，還是月亮影響比較大。

下面是一些具體的數(shù)據(jù)：太陽質(zhì)量為M,地球質(zhì)量m，月亮質(zhì)量為m1，太陽到地球的距離為R，月亮到地球的距離為由牛頓第二定律F=ma可知：

地球向日的引力為F=GMm/R^2,地球向月的引力為F=Gmm1/r^2。所以太陽對地球的引力與月亮對地球的引力的比值為GMm/(R-r)^2,帶入數(shù)值大約等于174，也就是說太陽對地球的引力是月亮對地球引力的174倍。

可得知：引潮力和引力加速度成正比，而和距離成反比。這就很好理解了，雖然太陽對地球的引力是月球的174倍，但太陽的距離卻是月球的389倍，距離比質(zhì)量對引潮力的影響更大，月球的引潮力還是太陽的2.2倍。所以地球上海洋的潮起潮落主要由月亮引力作用形成的。

潮汐鎖定的形成

了解了潮汐形成的原理之后，現(xiàn)在回到潮汐鎖定上面來。目前科學(xué)上對地月系的形成原因與時間還沒有明確的定論，但是可以肯定的是地月系已經(jīng)形成數(shù)億年之久了。

月球?qū)Φ厍蚱鸬搅艘绷Φ淖饔茫瑯拥牡厍蛞矔υ虑蛐纬梢绷Γ窃虑虮砻娌]有像海洋這樣的液態(tài)物質(zhì)，全部都是巖石類等硬質(zhì)物質(zhì)所構(gòu)成，所以短時間內(nèi)月球是看不出什么變化的。

但是在漫長的歲月里，地球?qū)υ虑虻囊绷κ冀K作用在月球的巖石上(早期的月球因?yàn)闇囟确浅８撸虑虺尸F(xiàn)出熔巖狀，也會發(fā)生潮汐現(xiàn)象)，就會造成月球緩慢的持續(xù)的處在變形當(dāng)中，直到變形到今天的橢球形狀，科學(xué)家稱之為固體潮。

橢形的月球受力降速

假設(shè)月球的自轉(zhuǎn)速度為v，引潮力會使月球的自轉(zhuǎn)速度逐漸變慢，我們來看上面的月球的受力圖便知一二；當(dāng)月球逐漸的形成一個橢球體的時候，在它的長軸上的A點(diǎn)和B點(diǎn)受到的引潮力始終阻止月球自轉(zhuǎn)，消耗月球的自轉(zhuǎn)能量而使速度衰減，最終月球的長軸始終朝著地心的方向，月球的自轉(zhuǎn)速度v不再變化，也就是月球的自轉(zhuǎn)自己的公轉(zhuǎn)同步。

潮汐鎖定

既然月球會被地球給鎖定，那么為什么地球沒有被太陽鎖定呢？其實(shí)，太陽也會對地球向形成潮汐鎖定，只是時間要變得很久。有天文學(xué)家估計，月球被地球潮汐鎖定的時間為2000萬年即可。力的作用是相互的，月亮對地球的潮汐力同樣也可使地球被潮汐鎖定，在太陽系中，冥王星與它的衛(wèi)星卡戎星就是互相處在潮汐鎖定的狀態(tài)中。它們兩個不是以對方作為圓心旋轉(zhuǎn)，它們旋轉(zhuǎn)的對稱點(diǎn)在中心連接線上。只不過，這個對稱點(diǎn)更加偏向冥王星而已。

冥王星與卡戎星雙星鎖定

靠近地球的小行星會怎么樣?

可以想象，月球離地球的距離相對較遠(yuǎn)，且軌道基本沒有什么變化，月球的橢球形保持的還比較穩(wěn)定。假設(shè)有個小行星在逐漸靠近地球，那么這個小行星會變得怎么樣呢？結(jié)果是令人遺憾的，小行星很可能會被撕碎，但是這取決于很多條件：

• 考慮其它引力因素，如果落在地球引力范圍內(nèi)，其他星球的引力作用可以忽略不計。
• 小行星的體積，體積越大，小行星靠近地球質(zhì)心最遠(yuǎn)和最近引力差異越大。
• 內(nèi)部成分，內(nèi)部構(gòu)造，物質(zhì)和密度的分布；對于物質(zhì)密度決定同等體積的質(zhì)量，質(zhì)量決定引力的大小，成分和構(gòu)造不同決定著物質(zhì)能不能被撕碎。例如，水要比石頭好破碎的多。

已知星系的具體參數(shù)，可求得該系統(tǒng)的洛溪極限

對于到底接近地球要多少距離才可能被撕碎，這個距離在天文學(xué)上叫做地球的洛希極限，指的是一個天體自身的重力與第二個天體造成的潮汐力相等時兩者之間的距離。每個天體的洛希極限值都不盡相同。在太陽系中，土星環(huán)的形成就是天體處在土星洛希極限內(nèi)被撕碎的結(jié)果。

土星環(huán)

但是我們不用擔(dān)心月球有一天會被地球撕碎，因?yàn)樵虑蛟谝悦磕陰桌迕椎乃俣冗h(yuǎn)離我們生活的地球。

總結(jié)

“萬能”的牛頓

綜上所述，關(guān)于潮汐鎖定的背后的原因大概了解了。其實(shí)潮汐及潮汐鎖定現(xiàn)象很早就被發(fā)現(xiàn)，牛頓首先采用萬有引力計算由太陽和月球造成的潮汐作用，現(xiàn)如今采取了更先進(jìn)的數(shù)學(xué)方法拉普拉斯的均衡理論來分析潮汐現(xiàn)象。浩瀚的星空繁星點(diǎn)點(diǎn)，深邃而美麗；由遠(yuǎn)及近，美麗的背后暗含著許多人類亟待解決的奧秘。