在炎炎夏日的童年時光里，每當夜幕降臨，我和鄰里小伙伴們便會迫不及待地跑向自家的后院或房頂，尋找那清涼的夜風。我們仰望夜空，月兒高掛，明亮皎潔，令人不由得吟唱起那句“明月幾時有”。有些機智的孩子會留意到，月亮似乎始終以一面朝向我們。
的確，月亮總是以一面對著地球，我們通常稱之為正面。這種現(xiàn)象，我們稱之為潮汐鎖定。這一恒久不變的景象背后，隱藏著許多科學原理。那么，地月間的潮汐鎖定是如何形成的呢？
何為潮汐？
在解答潮汐鎖定之前，我們先來談談什么是潮汐。地球上的海洋，特別是那些廣闊的水域，在特定的時刻會呈現(xiàn)出潮漲潮落的景象，那么這種壯觀的潮汐是如何形成的呢？
我們知道地球繞太陽公轉(zhuǎn)，并非因太陽的引力而墜入太陽，而是在自己的軌道上旋轉(zhuǎn)。正是公轉(zhuǎn)的角速度，即所謂的離心力，使得地球達到受力平衡，穩(wěn)定于固定的軌道上。
若將太陽和地球簡化為一個物理模型，我們能對地球的受力進行分析：
引力F1=GMm/R^2（M為太陽的質(zhì)量，m為地球的質(zhì)量，R為太陽到地球的距離）；
離心力F2=mω^2R（m為地球的質(zhì)量，ω為地球的自轉(zhuǎn)角速度，R為太陽到地球的距離）；
由圖所示，如果從太陽中心畫一條直線至地球中心，我們會發(fā)現(xiàn)A點與太陽最近，B點與太陽最遠。通常情況下，地球的直徑大約為太陽的1/109，因此，我們可以將地球簡化為一個質(zhì)點，任何地點的太陽引力均相同。
然而，對于地球上柔軟的物質(zhì)，如海洋，A點與B點的引力差異會導致其運動方向的差異。計算如下：
A點的太陽引力為Fa=GMm/(R-r)^2，其中r為地球的半徑，此時的引潮力Fac=Fa-F2>0；
B點的太陽引力為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：
在這兩種引潮力的作用下，海水由于缺乏慣性，會傾向于形成橢球形狀，而作為流體的海水則會表現(xiàn)出明顯的運動。
地球的潮起潮落，究竟是太陽還是月亮起的作用？
許多科普文章簡單地指出，漲潮是月亮引力引起的。那么，太陽引力為什么不會造成漲潮呢？我們已經(jīng)分析了日地系統(tǒng)的引潮力，地月系統(tǒng)的引潮力原理與之相似。通過簡單計算，我們可以得知太陽和月亮對地球的引力影響大小。
以下為相關數(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r。根據(jù)牛頓第二定律F=ma，我們可知：
地球向日的引力為F=GMm/R^2，地球向月的引力為F=Gmm1/r^2。因此，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，數(shù)值大約為174，也就是說，太陽對地球的引力是月亮對地球引力的174倍。
引潮力與引力加速度成正比，而與距離成反比。盡管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。質(zhì)量對引潮力的影響小于距離，因此，月球的引潮力是太陽的2.2倍。所以地球上海洋的潮起潮落主要是由月亮引力造成的。
了解了潮汐的形成原理，我們再回到潮汐鎖定上?？茖W界尚未就地月系的形成原因與時間達成明確共識，但可以肯定的是，地月系已存在數(shù)億年。
月球?qū)Φ厍虍a(chǎn)生引潮力，反之，地球也會對月球產(chǎn)生引潮力。然而，月球表面沒有海洋這樣的液態(tài)物質(zhì)，而是由巖石等硬質(zhì)物質(zhì)構(gòu)成，因此，短時間內(nèi)看不出月球的明顯變化。
但在漫長歲月中，地球?qū)υ虑虻囊绷ψ饔糜谠虑虻膸r石上，導致月球持續(xù)緩慢變形，最終變?yōu)榻裉斓臋E球形，科學家稱之為固體潮。
假設月球自轉(zhuǎn)速度為v，引潮力會使月球自轉(zhuǎn)速度逐漸減慢。觀察月球的受力圖，我們便能知曉其中原理；當月球形成橢球體時，其長軸上的A點和B點所受引潮力始終阻礙月球自轉(zhuǎn)，消耗其自轉(zhuǎn)能量，最終使月球長軸始終指向地心。月球的自轉(zhuǎn)速度v不再變化，即自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)同步。
既然月球能被地球鎖定，那為什么地球沒有被太陽鎖定呢？實際上，太陽也會對地球產(chǎn)生潮汐鎖定，只是所需時間較長。據(jù)天文學家估計，月球被地球潮汐鎖定大約需要2000萬年。力的作用是相互的，月亮對地球的潮汐力也可能使地球被鎖定。在太陽系中，冥王星與其衛(wèi)星卡戎星就處于相互鎖定的狀態(tài)。它們繞彼此的中心連接線旋轉(zhuǎn)，而非以對方為圓心。只不過，這個中心連接線更靠近冥王星。
靠近地球的小行星會發(fā)生什么？
可以設想，若有小行星逐漸靠近地球，其命運會如何？答案是令人沮喪的，小行星有可能被撕碎。但這取決于諸多因素：
其他引力因素，如果小行星進入地球引力范圍，其他星球引力可忽略不計。
小行星體積，體積越大，其靠近地球質(zhì)心的最遠和最近引力差異越大。
內(nèi)部成分，內(nèi)部結(jié)構(gòu)，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)量決定引力大小，成分和結(jié)構(gòu)影響物質(zhì)是否易于破碎。例如，水比石頭更容易破碎。
至于靠近地球到何種程度會導致被撕碎，這個距離在天文學上被稱為地球的洛希極限，即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各不相同。太陽系中，土星環(huán)的形成就是處在土星洛希極限內(nèi)的天體被撕碎的結(jié)果。
但不用擔心月球會被地球撕碎，因為它正以每年幾厘米的速度逐漸遠離我們生活的地球。
綜上所述，我們對潮汐鎖定背后的原因有了大致了解。潮汐及潮汐鎖定現(xiàn)象很早就被發(fā)現(xiàn)，牛頓首先用萬有引力計算了太陽和月球造成的潮汐作用，而今天我們采用更先進的數(shù)學方法拉普拉斯的均衡理論來分析潮汐現(xiàn)象。星空廣闊無垠，美麗而神秘；看似近在咫尺的月亮，卻隱藏著諸多人類尚未解開的奧秘。
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