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月亮为什么总是同一面朝向我们?

已有 6166 次阅读 2014-6-29 06:22 |个人分类:物理|系统分类:科普集锦

小学六年级的时候,第一次有机会看同学的十万个为什么之天文卷。一个个天文数字让我扎扎实实地体会到自己是井底之蛙,于是那时立志做一个天文学家。

当时对一个事实很不理解:月亮自转周期与其对地球的公转周期相同,所以我们永远只看得到月亮的一半。

当时还以为是巧合。等上了大学才明白其中的物理,才意识到这类现象的普遍性。其实远不止月亮对地球是这样的,太阳系里类似的卫星自转周期与其公转周期相同的例子有很多。比如冥王星与其卫星凯伦。

其实一个小学六年级学生是完全可以理解为什么会发生自转与公转同步的。很多人应该有这样一个体验:取一桶水,匀速地转动桶,由于桶壁与水的摩擦,水也被带动开始转动起来。最终相对桶,水会达到静止的状态,也就是跟桶以相同的角速度转动。这时,水跟桶就好像一个刚体一样一起转动。这其中的道理很好理解,如果水不跟桶一起同步运动,他们之间的摩擦就会加速或者减缓水的运动,最终一定要锁定水跟桶,让他们同步。我们也可以在与桶一起转动的参考系下看水。只有相对这个参考系静止的状态才是能量最小的。

类似地,考虑月球绕地球做圆周运动。虽然看上去月球表面是坚硬的岩石,但在大尺度(月球半径)下,月球其实非常类似一个水滴,大尺度下可以发生显著形变。地球的引力场不是完全均匀的,所以这个水滴会变形成一个椭球,长轴指向地球。现在如果这个水滴的公转与其自转不同步,那么在水滴公转的参考系下面,水滴不是静止的------水滴内部存在相对运动。内部相对运动导致的摩擦迟早会让水滴完全静止下来,也就是达到自转与公转同步。

起初,月球自转与公转肯定是不同步的(没那么多巧合)。但是,在漫长的天文时间下,月球终于settle down了。这就是我们今天看到的样子。

但是,故事还没完。可怜的月亮是被我们的地球驯服了,可是地球本身呢?注意到在今天,地球自转周期是一天,而地球对月亮的公转(月亮绕地球转,也就是地球绕月亮转了)却长达30天!所以地球的自转和公转(对月亮的,不是太阳!)还没有同步!可是地球也是个可以形变的液滴,潮汐和地震就是地球形变的表现。

所以,故事在继续。在今天,地球的自转每一天都在减慢。最终的宿命是地球也进入同步状态。届时,地球和月亮彼此永远以同一面面对对方。这个状态已经在冥王星与其卫星凯伦那里完成了。到那时,如果邪恶的人类还没有把自己玩完甚至还成功地殖民了月球,他们会看到,地球永远以同一朝向他们。会是有中国的这一面吗?

有兴趣的可以计算下,届时地球上一天会是多长。用角动量守恒就行。



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