文人都喜歡用月亮做文章，古代詩詞中詠月的句子多不勝數(shù)。張九齡《望月懷遠》:“海上生明月，天涯共此時?！?；李白的名句：“今人不見古時月，今月曾經(jīng)照古人。古人今人若流水，共看明月皆如此?！倍际抢C。
有人說：無論您是哪個民族、哪國人，無論您身在何處，我們看見的都是同一個月亮。這句話有科學(xué)味！還可以說得更具體一點：所有的地球人看到的不僅僅是同一個月亮，并且都是月亮的同一張“臉”！無論誰，只要他是在地球上拍攝月亮的照片，拍出的總是圖6-1中左邊所示的“正面”像（或者正面像的1部分），他不可能看到類似于圖6-1所示的月球“背面”，那是直到1959年，蘇聯(lián)的人造衛(wèi)星（月球3號）上天后才第一次拍攝到的。月球3號在飛過月球背面時發(fā)回了29幀圖象，覆蓋了月球背面70%的面積。后來，月球3號自己也成為地球的一顆衛(wèi)星。
也就是說，月亮對地球總是羞羞答答地“猶抱琵琶半遮面”。月亮的這種古怪行徑中暗藏著哪些秘密呢？
圖6-1：月球的兩面（圖片資料來自NASA）
潮汐和潮汐鎖定
月球是繞著地球旋轉(zhuǎn)的天然衛(wèi)星，如果月亮繞地旋轉(zhuǎn)時只有公轉(zhuǎn)沒有自轉(zhuǎn)，情況就像圖6-2a左邊所示，地球上不同的地點可以看見月亮的不同部分。但是，如果月亮在公轉(zhuǎn)的同時也同步自轉(zhuǎn)，如同圖6-2a右圖所示那種情形的話，從地球上的任何一個點都只能看見圖中月亮紅色的一面，而無法看見藍色的一面，這就叫做月球被地球“潮汐鎖定”。
月球的這種現(xiàn)象，和通常我們所說的“海洋潮汐”有什么關(guān)系呢？
地球上海洋的潮汐現(xiàn)象是由于月球?qū)Φ厍虻囊Ξa(chǎn)生的。太陽引力也產(chǎn)生地球的潮汐但由于距離遠影響較小。如果只考慮地月系統(tǒng)的話，可以說，潮汐是因為月球?qū)Φ厍蚋鱾€部分引力的不同而產(chǎn)生的。
潮汐。圖片來自網(wǎng)絡(luò)
將牛頓萬有引力定律應(yīng)用于研究天體的運動時，主要從兩個關(guān)鍵的方面來探討。一是天體質(zhì)心的運動軌跡，即將每個天體看成一個點，來研究它們的軌道運動。比如所謂的開普勒問題，便是將兩個天體作為質(zhì)量集中的兩個點來研究，并不考慮它們的尺寸大小。但是，實際上的天體并不是“點”而是具有“尺寸”的。因此，天體間的引力不僅僅影響到它們的軌道，也影響到天體自身繞著它的質(zhì)心的旋轉(zhuǎn)運動，這便是萬有引力用于天體力學(xué)的第二個重要方面。
萬有引力隨著距離的增加而減小，距離越近引力越大，距離越遠引力越小。地球有一定的體積，某種條件下可以當作一個球體但不是一個點。因此，月球與地球上不同部位的距離不同，引力也不同。如圖6-2b所示，月球?qū)Φ厍蛏宵cA附近海水的吸引力要大于對點B附近海水的吸引力，因為A點距離月球更近。引力不均勻的結(jié)果使得地球上海面在月地連線的方向上“隆起”，形成潮汐現(xiàn)象。后來，“潮汐”這個名詞被推廣到泛指“因為引力對物體各個部分不同”引起的某些效應(yīng)。
圖6-2：潮汐力和海洋潮汐
月球?qū)Φ厍虻某毕σ鸬厍蛏系摹皾q潮落潮”，反過來，地球?qū)υ虑蛞灿谐毕?，比如說，圖6-2b中月球上的C點和D點，地球的引力在這兩點有不同的數(shù)值：C點離地球更近，受到的引力要比D點更大。不過，因為月球上沒有海洋，不會有與地球類似的海洋潮汐現(xiàn)象，而是使得月球的形狀稍有變化：在沿著地月連線的方向上變得更長，橫向則收縮，月球成為一個橢球形，如圖6-2b所示。
假設(shè)月球沒有自轉(zhuǎn)只有公轉(zhuǎn)，公轉(zhuǎn)使月球平移到圖6-2b（或者圖6-3a）中右上方的位置，這時，潮汐力（地球在C和D的引力差）產(chǎn)生一個使橢球形的月球繞自身中心逆時針旋轉(zhuǎn)的力矩，也就是說力矩的作用將使月球轉(zhuǎn)回到與地月連線一致的橢球軸。如果月球原來就在自轉(zhuǎn)，并且自轉(zhuǎn)速度大于公轉(zhuǎn)速度，力矩的作用方向則相反，最后的結(jié)果都是趨向于“自轉(zhuǎn)周期等于公轉(zhuǎn)周期”的同步狀態(tài)，或稱“鎖定”在以同一張“臉”對著地球的狀態(tài)。
月亮正在逃離地球
月地系統(tǒng)中的引力潮汐作用還有另一個效果：月亮和地球?qū)嗑嘣絹碓竭h，或者說，月亮正在逐漸逃離地球。這個現(xiàn)象與地球的自轉(zhuǎn)周期及月球的公轉(zhuǎn)周期有關(guān)系。
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地球自轉(zhuǎn)周期大約為一天，月亮公轉(zhuǎn)速度小多了，大約一個月才繞一圈。因為潮汐力，地球的海面沿著地月連線方向鼓起來。如前所述，地球自轉(zhuǎn)超前月球公轉(zhuǎn)，地球?qū)⑦@個“潮汐隆起”帶到與地月連線偏離一個角度的位置，見圖6-3b中的地球周圍情況。
這時候有兩種力在互相抗衡：海水與地表的摩擦力企圖使“隆起”緊跟上地球自轉(zhuǎn)的步伐，而月球?qū)Φ厍虻囊s仍然沿著原來“隆起”的方向。因為兩者速度的不同，使得月球引力對地球自轉(zhuǎn)有一種“拖曳”的作用，摩擦力發(fā)熱產(chǎn)生耗散，結(jié)果使地球自轉(zhuǎn)的能量和角動量減少。從角動量守恒的角度看，地月系統(tǒng)的總角動量是守恒的，地球自轉(zhuǎn)角動量的減少將使月球的軌道角動量增加。
圖6-3：潮汐力影響月球地球的運動
軌道角動量L=mvR，是月球質(zhì)量m、軌道線速度v、軌道半徑R的乘積。衛(wèi)星繞行星運動的速度v與軌道半徑R的平方根成反比，因此，軌道角動量便與R的平方根成正比。所以，月亮軌道角動量的增加意味著更大的R，也就是說，月亮軌道半徑將越來越大。總之，潮汐力和潮汐摩擦的共同作用，使得地球自轉(zhuǎn)越來越慢，同時將月亮越來越往外推。
當然，這種效應(yīng)是非常微小的，以至于我們平時完全感覺不到。多微小呢？大約是每100年地球自轉(zhuǎn)的周期（1天）將會變慢1.6毫秒。你當然不會在乎如此小的變化，不過，月球的軌道增加聽起來給你的印象可能要深刻一點：每年增加3.8厘米左右。并且，這個距離變化可以使用阿波羅宇航員安置在月球上的反射鏡較為準確地被測量。
每年增加約4厘米，100年就要增加4米左右，中國大約5000年的歷史，已經(jīng)大約增加近200米了?？雌饋?，前面說過的李白名句： “古人今人若流水，共看明月皆如此?！焙孟癫荒敲凑_啊。古人看到的月亮比當今的月亮更大，古人觀察到的日全食，要比現(xiàn)在的遮擋得更完整。
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但是，如果多年后的“未來人類”，恐怕就只能看見日環(huán)食了。在6億年之后，地球和月球的距離會增加23500公里，從那時開始，即使月球在近地點，地球在遠日點，也將會因為月球離地球太遠而不再發(fā)生日全食。當然，月球?qū)嶋H軌道平均半徑是38萬4千公里，6億年的改變?yōu)?%左右，仍然是個小數(shù)目。
如果月球公轉(zhuǎn)比地球自轉(zhuǎn)快
這不是月球地球的現(xiàn)實狀況，但卻可能是某個其它衛(wèi)星的情形，因此我們也憑假想來簡單討論一下。
根據(jù)衛(wèi)星繞行星運動的規(guī)律，公轉(zhuǎn)速度越大軌道半徑就越小。月亮現(xiàn)在的公轉(zhuǎn)周期一個月，設(shè)想它的速度在短時間內(nèi)突然迅速加快，其軌道半徑將從38萬公里變小，變小，一直小到4.2萬公里左右。那時候，月亮繞著地球轉(zhuǎn)1圈只需要1天。我們的一年中不再有1月到12月，只有一天又一天。月亮變成了地球的同步衛(wèi)星，不再有陰晴圓缺，我們每個時刻都看到一個同樣的月亮，有的地方看得到，有的地方看不到！
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然后，假設(shè)月球的公轉(zhuǎn)速度固定在比地球自轉(zhuǎn)稍快的某個狀態(tài)，我們再來重新考慮圖6-3b中潮汐產(chǎn)生的摩擦力對地月系統(tǒng)的影響。這時圖中的方向都得反過來，因為衛(wèi)星的公轉(zhuǎn)周期短于行星的自轉(zhuǎn)周期，潮汐水峰將加速行星（地球）的旋轉(zhuǎn)，而使得衛(wèi)星（月亮）的角動量和能量減小，因而行星不會向外推衛(wèi)星而是將衛(wèi)星朝自己身邊拉。最后，衛(wèi)星落入行星。
地球為什么不對月球鎖定？
月球的自轉(zhuǎn)公轉(zhuǎn)周期被同步鎖定，因而使得月球只用一面對著地球。在剛才的解釋中如果我們將月球和地球的位置互換，同樣的道理也應(yīng)該適應(yīng)于地球，但地球卻不是只用一面對著月球的，這又是為什么呢？地球為什么沒有被月球的潮汐力“鎖定”呢？
不難想象，問題的答案一定與月球和地球的相對大小有關(guān)。大的容易影響和控制小的，小的就不容易影響大的了。具體來說，“潮汐鎖定”是需要時間的，只是逐漸鎖定，不會瞬間就完成了。星體越大，被鎖定所需要的時間就越長。實際上，剛才分析中提到的地球自轉(zhuǎn)速度逐漸變慢，是和趨向鎖定的變化方向一致的。
兩個天體能夠多快互相鎖定的問題，取決于兩個天體質(zhì)量之比。在太陽系行星的衛(wèi)星中，月球與地球的質(zhì)量比是最大的：質(zhì)量是地球的1/81（1.2%）。如果也考慮“矮行星”的話，就比不過冥王星的衛(wèi)星凱倫了。凱倫與冥王星的比例更大一些，質(zhì)量比為11.65%。這個大小比例使得兩者的共同質(zhì)心已經(jīng)完全在冥王星之外。所以，有人認為凱倫不應(yīng)該被看作是冥王星的衛(wèi)星，而應(yīng)該將兩者看作一個都繞著質(zhì)心旋轉(zhuǎn)的雙（矮行）星系統(tǒng)。凱倫與冥王星就是處于互相都被潮汐鎖定的狀態(tài)，它們倆以6.387天的周期互相繞圈跳著雙人舞，并且永遠以相同的“臉”遙遙相對，但誰也看不見誰的后腦勺，見圖6-4a。
圖6-4：自旋相互鎖定和軌道共振
軌道共振
月亮自轉(zhuǎn)公轉(zhuǎn)同步的現(xiàn)象，類似于一種共振，稱之于自旋與軌道間的“引力共振”，或自旋軌道共振。月亮的共振是屬于自轉(zhuǎn)公轉(zhuǎn)周期比為1:1的情形。天體運動中也觀察到很多其它比值的自旋軌道共振。比如說，水星的自轉(zhuǎn)與其繞太陽公轉(zhuǎn)周期的比值為3:2。
除了天體本身的自旋會與軌道產(chǎn)生耦合之外，兩個離得比較近的天體的軌道之間也會互相耦合而產(chǎn)生共振。軌道共振是天體力學(xué)中的常見現(xiàn)象，類似于用重復(fù)施加的外力推秋千所產(chǎn)生的累積效應(yīng)。例如，木星的伽利略衛(wèi)星木衛(wèi)3、木衛(wèi)2、和木衛(wèi)1軌道的1:2:4共振，以及冥王星和海王星之間的2:3共振等。圖6-4b顯示亡神星與海王星的軌道共振。
月亮其實不是“半遮面”
更仔細的計算表明，從地球上并不是剛好只能看到月球的一半，而是能夠看到整個月球的59%左右。地球轉(zhuǎn)來轉(zhuǎn)去，偶然總能驚鴻一瞥，窺探到一點點月亮背面隱藏的秘密！這額外9%的來源，與另一個叫做“天平動”的天體運動機制有關(guān)。
圖6-5：月球的天平動
宇宙并不是一個擰緊了發(fā)條的大鐘，其中的天體遵循引力規(guī)律而運動，天體間的相對位置每時每刻都在因為運動而改變，但變中有不變，對太陽地球月亮組成的3體系統(tǒng)而言，互相的公轉(zhuǎn)及各自的自轉(zhuǎn)是最基本的，其它可看作是基本運動狀態(tài)之外的“修正”。
天平動是一種緩慢的振蕩，天平意味平衡，平衡中有振動和搖擺，因而謂之“天平動”。對月球而言，自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)已經(jīng)同步鎖定，但某些輕微的擺動使得地球上的觀察者在不同的時間能看見稍微有點不一樣的月面。這些擺動的原因有4種：緯度天平動、經(jīng)度天平動、周日天平動和物理天平動，見圖6-5。
經(jīng)度天平動是因為月球的公轉(zhuǎn)軌道不是一個正圓，而是有少許離心率的橢圓所造成的，使人類在東西側(cè)能多觀察到約235公里的月面，見圖6-5a。
緯度天平動是因為月球自轉(zhuǎn)軸對月球軌道平面不是絕對垂直而造成的，相當于在南北極方向能夠多看到約200公里的距離，見圖6-5b。
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周日天平動是因為地球的自轉(zhuǎn)所造成，它使地面上的觀測者從地月中心連線的西側(cè)轉(zhuǎn)至東側(cè)，將使赤道的觀測者能在東西側(cè)多看見約30公里的區(qū)域，見圖6-5c。
前面三種可歸因于幾何原因造成的天平動，與軌道、轉(zhuǎn)軸方向或地球大小等幾何因素有關(guān)。另外一種物理天平動便是由于各種原因（諸如地球引力、其它天體引力、月震等）造成的月球的擺動。不過，物理天平動比幾何天平動小得多，只有百分之幾，一般忽略不計。
月球地貌
上面介紹的都是有關(guān)月亮的軌道及自轉(zhuǎn)等力學(xué)特征?，F(xiàn)在大家已經(jīng)明白了我們?yōu)槭裁粗豢匆娫铝恋耐粡垺罢婺槨钡牡览怼Ｈ欢?，那臉上大片大片的陰影是些什么呢？人類用望遠鏡仔細觀察后，早就知道了那不是什么吳剛嫦娥桂花樹之類的神話故事角色，而是月表高高低低的地形反光不同所造成的結(jié)果。
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不過，早期的天文學(xué)家們誤以為月球表面和地球表面類似，有山有海，所以，給這些月球地表上的相應(yīng)區(qū)域所起的名字，不是山就是海，山是環(huán)形山，命名基本正確，而什么雨海、風(fēng)暴洋、島海、靜海、危海、澄海、豐富海等，就不符合事實了，海中一滴水也沒有，只是較為平坦低洼的玄武巖平原，推測是古代火山爆發(fā)的產(chǎn)物。其中尺寸最大的是風(fēng)暴洋，橫跨月球南北中軸線綿延達2500公里以上。
但是，人類雖然用望遠鏡將月亮正面看了不知道多少遍，仍然難以判定月球物質(zhì)的成分，是否和地球上的成分一樣？還是有什么新的物質(zhì)結(jié)構(gòu)？而對月球的背面，人類就更是知之甚少了，從圖6-1看出，月球背面就沒有正面那么多的陰影，是一張單純而明朗的“臉”，顯然有比較少的“月?！保敲?，它上面又主要是些什么呢？據(jù)說是一大堆起伏不平的撞擊坑，成分如何呢？俗話說，百聞不如一見，要回答這些問題，最好還是要派使者登上月亮去看看。誰派出了第一個使者？且聽下回分解。
（摘自《揭秘太空：人類的航天夢》，作者：張?zhí)烊兀?/p>
