为什么人类在地球上总是看不到月亮的另一半

Question

如题所述

Answer 1

潮汐锁定（或同步自转、受俘自转）发生在重力梯度使天体永远以同一面对着另一个天体；例如，月球永远以同一面朝向着地球。潮汐锁定的天体绕自身的轴旋转一圈要花上绕着同伴公转一圈相同的时间。这种同步自转导致一个半球固定不变的朝向伙伴。
潮汐隆起
A的引力对B造成潮汐力使得B的引力平衡受到扭曲，形状在朝向A的轴线方向上变得细长；相反的，在垂直A轴向的维度上略有减少。这种扭曲现象被称为潮汐隆起。当B未被潮汐锁定时，这个隆起会在表面旅行，两个高潮之一会在靠近A在正上方的一个点。对大型的天体而言，由于本身的重力，形状位接近球体，潮汐的扭曲会造成轻微的扁球体，也就是说一个沿着主轴方向轴对称的椭球体。较小的天体也会经历这种扭曲，但这些扭曲是不规则的。

隆起拖曳
物体B对潮汐力引起的周期性的重塑会施全力 (Exertion) 的抵抗。事实上，有时候B需要一些时间来重塑重力的平衡，但在这段时间，A-B的轴向因为B的旋转已经改变，所以形成的隆起会与A-B轴向有一段距离。从太空中的瞭望点来看，隆起最高点的方向与指向A的方向已经有了偏差。如果B的自转周期短于它的轨道周期，这个隆起将超前于A-B轴的指向；反过来如果B的自转周期较长，取而代之的是隆起将落后。

结果的扭矩
由于隆起偏离了A-B轴指向的方向，A的引力将拉住这些质量而对比施加了扭矩。在面对A的隆起扭矩的作用在使B的自转符合轨道周期，但在"背面"的隆起是远离A的，因此起了相反的作用(维持自转的周期)。不过，朝向A这一侧的隆起比背面的隆起更靠近A大约相当于B的直径，所以会经历较强的引力和扭矩。来自这两个隆起扭矩的净效应，是永远朝向B的自转周期与轨道周期同步，也就是结果终将是潮汐锁定。

轨道变化
A-B系统的总角动量在这个过程中是守恒的，所以当B减慢速度和失去角动量时，轨道的角动量会提升相似的量 (其中也有一些对A的自转造成较小的影响)。这样的结果是导致B在减缓自转速度时，相对于A的轨道会提升。而另一种情况，当B的自转速度太慢时，潮汐锁定的作用会使它的自转加速，同时使B的轨道降低。

大天体的锁定
潮汐锁定的效应也会发生在大天体A上，只是因为B的体积较小，引力作用也较微弱，所以需要更长的时间才能将A潮汐锁定。例如，地球的自转就因为月球而逐渐减缓，从一些化石在地质时间上的推宜可以察觉其总量。对于大小相似的天体，这种效应在同等级规模的天体上，或许会两者同时被潮汐锁定。矮行星冥王星和它的卫星卡戎就是最好的例子 — 只有从冥王星的一个半球可以看见卡戎，反之亦然。

自转轨道共振
最后，在轨道离心率较高的情况下，潮汐力是相对较弱的，较小的天体最终可能会产生轨道共振而不是潮汐锁定。在这种情况下，轨道周期和自转周期的比率是一些明确的分数，像是1:1。一个著名的例子是水星的自转-锁定到与公转太阳周期为3:2的共振。