科技日報記者 劉園園
12月8日2時23分，嫦娥四號探測器搭乘長征三號乙運載火箭，開始了奔月之旅。在經歷地月轉移、近月製動、環月飛行後，她將實現人類探測器首次月球背面軟著陸。
敲黑板！請注意這裡的關鍵詞——月球背面。
曾經千百次舉頭望明月的你，是否留意過，我們始終只能看到月亮有玉兔和月桂樹的那一面？沒錯，千百年來月球始終只有一面對著地球，另一面始終背對地球。這就有了正面與背面之分。
問題來了，是誰把月球變成了雙面伊人？
同步自轉只是表面原因
用一句話解釋這個現象，也很容易：月球繞地球公轉一圈和月球自轉一圈的時間，都是28天左右。
想象一下，繞大樹畫個大圓圈，在大圓圈上均勻標出360個刻度。現在，你要始終面對這棵大樹走一圈，用360步走完。你在大圓圈上每走1步，身體就傾斜1度。走完這個大圓圈時，你的身體也同時完成了360度旋轉，回到原位。
也就是說，當你用同樣的時間完成自轉和公轉時，你始終會一面對著大樹，另一面背對大樹。月球始終一面對著地球，另一面背對地球的現象也是如此。在天文學中，這叫同步自轉。
然而，這只是表面原因。
“月球形成早期，自轉速度比現在快多了。只有幾個小時，而不是現在的28天左右。”南京大學天文與空間科學學院教授周禮勇告訴科技日報記者，對地球而言，月球也曾是“多面伊人”。數億年來，月球自轉速度不斷變慢，慢到自轉和公轉時間幾乎一樣，才導致它始終一面對著地球。
所以，根本原因在於，是誰給月球自轉踩了刹車？
潮汐力難辭其咎
要解釋月球自轉變慢，潮汐力是最容易想到的因素。
地球和月球相互繞轉，且相互具有萬有引力，彼此都會給對方施加潮汐力。
地球上的潮汐現象，就與月球對地球的引力有關。
住在海邊的人，會發現海水一天有兩次漲潮和落潮。一次是月亮在地球背面時，另一次是月亮在頭頂時。
周禮勇解釋說，這是因為地球正對月亮的那面，受到的月球引力更強；背對月亮的那面，受到的月球引力較弱。引力的方向都朝著月球。而地球在繞月球轉時，無論哪個點的離心力都一樣。離心力的方向與月球施加於地球的引力方向相反。
如此一來，地球背對月球的那面，受到的月球引力稍小於離心力，面對月球的那面月球引力稍大於離心力，最終兩面都感受到一個離開地心方向的力。所以地球兩側的海水就漲起來了。
“月球在繞地球轉時，同樣會受到地球帶來的潮汐力。”周禮勇說，地球潮汐力的作用，是讓月球正對和背對地球的面都鼓起來，讓月球變扁了。
儘管月球上沒有海水，月殼、月幔和月核卻依然可以感受到潮汐力，並在月球內部形成不斷湧動的固體潮。這種固體潮導致月球幔層之間不斷摩擦，轉變為月殼內部的熱能。這在幾十億年時間內，可以耗散月球部分動能。
力矩才是直接刹車機制
不過，潮汐力帶來的摩擦耗散可能是有限的。
中科院國家天文台研究員平勁松和同事們研究發現，月核與月幔之間的流體屬於超低粘性層，這意味著潮汐力所引發的月核與月幔之間的摩擦力很小，不至於耗散月球太多動能。
“關鍵在於潮汐作用引起的摩擦作用發生在月球內部，這種過程只能間接導致月球自轉變慢，而不能直接給月球自轉踩刹車。”周禮勇說。
兩位天文學者都認為，最直接的刹車機制是地球與月球之間的力矩作用。力矩是指作用力使物體繞著轉動軸或支點轉動的趨向。
周禮勇解釋說，月球在逐漸變扁的過程中，依然要在繞著地球公轉的同時自轉。想象在月球內部，有一條與地心和月心連線方向一致的長軸。長軸在瞬間是指著地心的，但由於月球要自轉，下一瞬間這條長軸就會偏過去，不再指著地心。
這時，來自地球的潮汐力對月球這個長軸的兩端都會產生力矩。這個力矩與長軸偏移過去的方向相反，也就是跟月球自轉方向正好相反。這會直接改變月球自轉的角動量，導致月球自轉速度逐漸減慢。
平勁松用一個簡單的小實驗來解釋地球與月球之間的力矩作用。
在一個轉盤中心固定一塊磁鐵，代表地球。在轉盤的邊緣固定一個指南針，代表月球。彈動指南針，讓指針快速旋轉，代表月球自轉。然後迅速轉動轉盤。你會發現，在轉盤轉動的過程中，原本快速旋轉的指針會慢慢停下來，最終指向轉盤中心的磁鐵。
讓指針停下來的，正是力矩的作用。月球自轉減慢的原理與此類似。
總之，由於以上機制，天長月久月球自轉逐漸變慢，直到自轉周期和公轉周期相差無幾。
最終出現始終有一面背對地球的結果，也就是被地球“潮汐鎖定”了。
不只月球有“背面”
有趣的是，在宇宙中，不僅僅月球始終將一面背對著自己所繞轉的行星。
“受潮汐力和力矩的影響，所有的行星-衛星系統，甚至恆星-行星系統都在趨向於這種結果。”周禮勇介紹，也就是說，不只行星可以鎖定它的衛星，恆星也可以鎖定它的行星。只不過，這個過程非常之慢，可能在實現潮汐鎖定之前，天體系統就消亡了。
平勁松告訴科技日報記者，在太陽系內，火星、木星、土星都存在鎖定自己衛星的情況，冥王星與冥衛一互相用同一面對著彼此。水星的自轉周期則是公轉周期的2/3，被太陽部分鎖定。
或許有一天，地球也可能只有一面對著太陽，另一面永遠成了“背面”。只是，你我在有生之年肯定看不到了。
來源：科技日報 文中圖片均來自網絡
編輯：朱麗
審核：王小龍
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