月球，為啥有個「背面」？

想像一下，繞大樹畫個大圓圈，在大圓圈上均勻標出360個刻度。始終面對這棵大樹走一圈，用360步走完。在大圓圈上每走1步，身體就傾斜1度。走完時身體也同時完成360度旋轉，回到原位。

也就是說，當你用同樣的時間完成自轉和公轉時，你始終會一面對著大樹。月球始終一面對著地球的現象也是如此。在天文學中，這叫同步自轉。

然而，這只是表面原因。

「月球形成早期，自轉速度比現在快多了。只有幾個小時，而不是現在的28天左右。」南京大學天文與空間科學學院教授周禮勇告訴科技日報記者，對地球而言，月球也曾是「多面伊人」。是數億年來，月球自轉速度不斷變慢，慢到自轉和公轉周期幾乎一樣，才導致它始終一面對著地球。

所以，根本原因在於，是誰給月球自轉踩了剎車？

潮汐力難辭其咎

要解釋月球自轉變慢，潮汐力是最容易想到的因素。

地球和月球相互繞轉，且相互具有萬有引力，彼此都會給對方施加潮汐力。地球上的潮汐現象，就與月球對地球的引力有關。

住在海邊的人，會發現海水一天有兩次漲潮和落潮。一次是月亮在地球背面時，另一次是月亮在頭頂時。

周禮勇解釋說，這是因為地球正對月亮的那面，受到的月球引力更強；背對月亮的那面，受到的月球引力較弱。引力的方向都朝著月球。而地球在繞月球轉時，無論哪個點的離心力都一樣。離心力的方向與月球施加於地球的引力方向相反。

如此一來，地球背對月球的那面，受到的月球引力稍小於離心力，面對月球的那面月球引力稍大於離心力，最終兩面都感受到一個離開地心方向的力。所以地球兩側的海水就漲起來了。

「月球在繞地球轉時，同樣會受到地球帶來的潮汐力。」周禮勇說，地球潮汐力的作用，是讓月球正對和背對地球的面都鼓起來，讓月球變扁了。

盡管月球上沒有海水，月殼、月幔和月核卻依然可以感受到潮汐力，並在月球內部形成不斷湧動的固體潮。這種固體潮導致月球幔層之間不斷摩擦，轉變為月殼內部的熱能。這在幾十億年時間內，可以耗散月球部分動能。

力矩才是直接剎車機制

不過，潮汐力帶來的摩擦耗散可能是有限的。

中科院國家天文台研究員平勁松和同事們研究發現，月核與月幔之間的流體屬於超低黏性層，這意味著潮汐力所引發的月核與月幔之間的摩擦力很小，不至於耗散月球太多動能。

「關鍵在於潮汐作用引起的摩擦作用發生在月球內部，這種過程只能耗散掉地球、月球這個系統的總機械能，而不能直接給月球自轉踩剎車。」周禮勇說。

兩位天文學者都認為，最直接的剎車機制是地球與月球之間的力矩作用。力矩是指作用力使物體繞著轉動軸或支點轉動的趨向。

周禮勇解釋說，月球在逐漸變扁的過程中，依然要在繞著地球公轉的同時自轉。想像在月球內部，有一條與地心和月心連線方向一致的長軸。長軸在瞬間是指著地心的，但由於月球要自轉，下一瞬間這條長軸就會偏過去，不再指著地心。

這時，來自地球的潮汐力對月球這個長軸的兩端都會產生力矩。這個力矩與長軸偏移過去的方向相反，也就是跟月球自轉方向正好相反。這會直接改變月球自轉的角動量，導致月球自轉速度逐漸減慢。

天長月久，月球自轉周期和公轉周期變得相差無幾，最終有了我們在地球上看不到的「背面」。