众所周知,月球的同一侧总是朝向我们,这背后并非机缘巧合,确实隐藏着某种秘密,而这个秘密正是“潮汐锁定”所致。
要探究潮汐锁定的原理,我们首先得了解一点关于潮汐力的基本知识。
设想手中握有一个球形的玩具,用绳子牵引着它并在你头顶旋转,它会变形成一个椭圆的形状吗?
图中所示的这种变形,正是由于绳子的牵引和环绕运动产生的离心力共同影响的结果。玩具被绳子牵引的部位受到向内的拉力,而离心力则在另一侧产生向外的推力,这两个方向相反的作用力一个向内拉紧,一个向外推挤,这就使得玩具的形状发生了变化。
类似地,当一个天体绕着另一个天体旋转时,也会经历类似的过程。
比如地球围绕太阳公转,会同时受到引力和离心力的作用。地球既不会坠入太阳,也不会飞离,正是因为离心力与引力达到了一个平衡状态,但这种平衡只在地球的中心成立。
引力会随距离而减弱,因此地球不同部分所受的离心力是相同的,这就造成了面向太阳一侧的引力大于离心力,而背对太阳的另一侧引力则小于离心力。由此,海水在这两个方向上相对隆起,形成了潮汐现象,这便是潮汐力的作用。
当然,地球上的潮汐受到太阳和月球两者的影响,因此会出现“大潮”和“小潮”的区别,但那是另一个话题,这里就不详细阐述了。
我们需要关注的重点在于潮汐锁定。
如同海水受到潮汐力影响会隆起一样,月球绕地球转动时也会受到潮汐力的影响,虽然月球上并无海洋,但固体物质在长期作用下同样会发生形变,导致月球实际上呈现椭圆状。
那么,一个椭圆的天体在受到引力作用时,会呈现何种状态?
我们可以通过一个夸张的例子来设想一下:
如果一个气球原本就是椭圆的,而绳子系在较长的一端,无论气球原先朝向何方,我们一拉绳子,它都会迅速旋转至受力方向的垂直状态。
同理,椭圆状的天体在各处受到的引力不同时,其较长的部分感受到的引力最强,因此它会有一个倾向,那就是朝向引力方向“垂直”。久而久之,月球这个椭圆体便一直以“垂直”姿态面向地球。
虽然上文的例子略显夸张,但这就是月球总以一面朝向我们的原因——朝向我们的那一面是月球较长的部分。
可能有人会疑问:
既然地球和月球相互施加引力,且地球的固态部分同样会发生形变,为何地球没有被月球潮汐锁定,始终以不同面朝向月球?
这涉及到多个因素,其中一个原因是地球的质量远大于月球。但主要原因是时间不够长。若时间足够长,地球最终也会被月球或太阳潮汐锁定。
例如冥王星与其卫星卡戎就互相进行了潮汐锁定,双方都以一面朝向对方,这与两者质量差异不大、环绕的质心位于冥王星之外有关。
大家可以对比下图,左图显示了地球与月球环绕的质心,右图则展示了冥王星与卡戎环绕的质心,两相比较,差异显著。
冥王星与卡戎的运动使得冥王星更易被“拉长”,越是细长的形状就越容易被潮汐锁定。
而地球与月球的运动方式则使得地球的形变并不明显,被潮汐锁定所需的时间也就更长。据科学家预测,哪怕太阳衰变为红矮星,地球也可能不会被潮汐锁定。
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