小時(shí)候，每當(dāng)?shù)搅讼奶欤液痛迳系泥従觽兌紩?huì)跑到自己的院子里或者平房頂上避暑過夜。俗話說，十五的月亮十六圓，當(dāng)夜幕降臨時(shí)，我們抬頭仰望星空時(shí)，一輪又大又圓又亮的月兒高掛在空中。這樣的時(shí)刻有文學(xué)天賦的孩子們會(huì)不禁讀出“明月幾時(shí)有”這樣的千古名句，也有聰明愛觀察的孩子會(huì)發(fā)現(xiàn)月亮似乎每一個(gè)夜晚都只是把一面朝著我們。

仰望星空

不錯(cuò)，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?？此魄瓴蛔兊囊?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(gè)特定的時(shí)間都會(huì)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(gè)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(gè)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(shí)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(gè)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(huì)造成其運(yùn)動(dòng)方向的差異，下面簡單的計(jì)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(shí)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(shí)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(shí)，在這兩個(gè)引潮力的作用下，由于海水沒有慣性，地球會(huì)趨向于一個(gè)橢球的形狀，作為流體的海水會(huì)有明顯的運(yùn)動(dòng)。

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(jì)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(shí)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?，同樣的地球也?huì)對月球形成引潮力，但是月球表面并沒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(shí)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?，月球呈現(xiàn)出熔巖狀，也會(huì)發(fā)生潮汐現(xiàn)象)，就會(huì)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(huì)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(gè)橢球體的時(shí)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(huì)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(huì)對地球向形成潮汐鎖定，只是時(shí)間要變得很久。有天文學(xué)家估計(jì)，月球被地球潮汐鎖定的時(shí)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(gè)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(gè)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(huì)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(gè)小行星在逐漸靠近地球，那么這個(gè)小行星會(huì)變得怎么樣呢？結(jié)果是令人遺憾的，小行星很可能會(huì)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(jì)。
• 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(gè)距離在天文學(xué)上叫做地球的洛希極限，指的是一個(gè)天體自身的重力與第二個(gè)天體造成的潮汐力相等時(shí)兩者之間的距離。每個(gè)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(huì)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(jì)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。