潮汐锁定以及卫星系统

 上次谈到阴历如何根据月球运动而制定的，让我看到一个以前从没有注意过的问题：月球永远只有一面朝向我们。也就是说，我们永远只能看到月球的正面，而看不到背面。这让人不禁疑惑：难道这只是巧合吗？事实上，这是一种普遍的现象，尤其在双星系统中，被称作潮汐锁定。

具体细节主要参考wiki.

潮汐锁定顾名思义，来源于潮汐作用。这在地月双星系统中是可以明显在地球上观测到的。由于万有引力定律中的力与距离的平方成反比，故而距离月球质心的长度不同的位置，地球上的物体（主要是水）会受到来自月球的不同的引力（实际上只关心其产生的加速度）。因而在地球上，头顶正对月球的地方会受到更大的指向月球的吸引，而背对月球的地方受到的吸引会更小。这两个作用分别与当地的重力加速度相结合，会使得整个海平面在距离月球最近和最远的地方有两个凸起。而其他地点，尤其是与地月连线垂直的地方，海平面会相对低一些。

由于地球较快的自转（一天一圈），相比于可以忽略不计的近30天的月球公转，潮汐的几乎完全由地球自转速度决定。同时因为两个潮峰的存在，涨潮的周期大致为12小时。

但同时，由于两者周期的不一致（地球自转和月球公转），刚刚被潮汐作用抬高的潮水会由于较快的自转到达原先月球并不能引起潮汐作用的位置。如下图

这样的不同步会导致隆起的潮汐产生一个带有扭矩的力。参考图示的方向，这一部分额外的力使得地球具有顺时针旋转的倾向，而地球在逆时针旋转。因此潮汐作用产生了使得地球减慢自转的倾向。这个倾向在地球自转缓慢到与月球公转周期相同后消失。如果最终地球自转也如此之慢，那么我们地球就被月球潮汐锁定了。潮汐锁定的现象就是这样产生的。

正如人们观察到的，月球早已被地球潮汐锁定了，也就是说，月球自转的速度与公转的速度为1:1，因此我们永远看不到其背面。虽然月球上并没有水，但是巨大的引力差对固体也能起到类似的作用。同时由于地月质量比达到了约81:1，因此地球对月球的潮汐作用也是很强烈的。这也最终导致了月球在数十亿年的缓慢作用下被潮汐锁定。

更粗略地理解，潮汐锁定就是两个星体之间的角动量平衡，就像空气中不同位置的温度趋向于平衡一样，这使得整个系统的熵最大化。只不过这个过程十分漫长。

同样的现象在很多太阳系内的行星及其卫星上被观测到。例如水星，由于其离心率较高的椭圆轨道，其被太阳潮汐锁定的最终结果不是自转周期与公转周期相等，而是2:3。这与正圆轨道的潮汐锁定本质是一样的，被称作自旋轨道共振。除了没有任何卫星的水星和金星，其他所有六大行星都有达到潮汐锁定的卫星。冥王星，虽然被排除了行星系统之外，与其卫星冥卫一（卡戎）形成了相互潮汐锁定的状态。这主要源于它们相近的质量。

这种宏观物理现象的发生往往让人惊奇，但深究以后发现仅仅源于一个万有引力公式。这个世界如我们今天看到的样子，也都是数个物理定律造就的。让科学家追求终生的不仅是这些物理定律本省，也包括理解为什么这些定律生来就是如此。也许除了问上帝，我们终究也不会在我们所处的宇宙中得到答案。也或许，我们一开始就不需要寻找答案。

ref:

https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%BD%AE%E6%B1%90