我们站在地球上，为什么永远只能看到月球的一面？
有人说:不管你是哪个国籍，哪个民族，不管你在哪里，我们看到的都是同一个月亮。这句话很科学！也可以说的更详细一点:所有地球人看到的不仅仅是同一个月亮，还有月亮的同一半“脸”！无论谁在地球上拍月亮，他总是拍图1左边所示的“正面”图像(或正面图像的一部分)，看不到类似于图1所示的月亮的“背面”。直到1959年，苏联卫星(月球3号)才首次被拍摄。月球3号在飞越月球背面时发回了29幅图像，覆盖了月球背面的70%。后来，月球3号本身变成了地球的卫星。
也就是说，月亮总是害羞地对着地球“仍然把半张脸藏在吉他后面不让我们看见”。月亮这种奇怪的行为背后隐藏着什么秘密？
为什么只能看到月亮的一面|星星背后的物理学(XIV)
月球是绕地球旋转的天然卫星。如果月球绕地球自转，它只公转不自转，如图2a左侧所示，月球的不同部分可以在地球的不同地方看到。但如果月球在自转的同时同步自转，如图2a右图所示，从地球上任何一点都只能看到图中月球的红色一面，而看不到蓝色一面，这就是地球对月球的“潮汐锁定”。
月球的这种现象和“潮汐”有什么关系？
地球海洋中的潮汐现象是由月球对地球的吸引力引起的。太阳引力也产生地球潮汐，但本文只关注地月系统。更准确地说，潮汐是由月球对地球不同部分的不同引力引起的。
重力随着距离的增加而减小。距离越近，引力越大，距离越远，引力越小。地球有一定体积，月球与地球不同部位的距离不同，所以引力也不同。如图2b所示，月球对地球上a点附近海水的吸引力大于对b点附近海水的吸引力，因为a点更靠近月球。由于重力不均匀，地球海面向月球与地球连线方向“隆起”，形成潮汐现象。后来，“潮汐”一词被引申为“重力对物体的不同部分有不同的影响”。
月球对地球的潮汐力造成了地球上的“潮起潮落”。反之，地球对月球也有潮汐力。例如，图2b中月球上的C点和D点在这两点上的地球引力值不同:C点离地球更近，比D点受到的引力更大..但由于月球上没有海洋，所以不会出现类似地球的潮汐现象，只是月球的形状会略有变化:沿地球与月球连线方向变长，水平收缩，使月球变成椭球体，如图2b所示。假设月亮没有自转，只有公转，公转使月亮平移到图2b中的右上位置。这时，潮汐力(地球在C和D的重力差)产生一个力矩，使椭球形月球绕其中心逆时针旋转，也就是说，力矩的作用会使月球转回与地球和月球连线一致的椭球轴。如果月球原本是自转的，其自转速度大于公转速度，那么扭矩的作用方向是相反的，最终的结果往往是“自转周期等于公转周期”的同步状态，或者说是以同样的“面”面对地球的状态“锁定”。
月球为什么要逃离地球？
月地系统中的引力还有另外一个作用:月球和地球会越来越远，或者月球正在逐渐逃离地球。这种现象与地球自转和月球公转有关。
地球的自转周期约为一天，而月球的公转速度要小得多，一个月左右才公转一周。由于潮汐力的作用，地球的海面沿着地球和月球的连线隆起。如前所述，地球的自转导致了月球的公转，地球将这个“潮汐凸起”带到了偏离地球与月球连线的位置，如图3a所示。这时有两种力量在相互竞争:海水与地球表面的摩擦力试图跟上地球自转，而月球对地球的引力仍然遵循着原来的“隆起”方向。由于两者速度不同，月球引力对地球自转产生“拖曳”效应，摩擦产生散热，导致地球自转的能量和角动量降低。从角动量守恒的角度来看，地月系统的总角动量是守恒的，地球自转角动量的减小会增加月球的轨道角动量。
轨道角动量L=mvR是月球质量m，轨道线速度v，轨道半径R的乘积..卫星绕行星运动的速度v与轨道半径R的平方根成反比，所以轨道角动量与R的平方根成正比..所以月球轨道角动量的增加意味着更大的R，也就是月球轨道半径会越来越大。总之，潮汐力和潮汐摩擦的共同作用，使地球自转越来越慢，把月球越推越向外。
当然这种影响很小，我们根本感受不到。有多小？大约每100年，地球自转周期(一天)会减慢1.6毫秒。你当然不在乎这么小的变化。然而，月球轨道的增加对你来说可能听起来令人印象深刻:它每年增加大约3.8厘米。而且，这种距离变化可以通过阿波罗宇航员在月球上放置的镜子来更精确地测量。每年增加约4厘米，100年后增加约4米。中国5000年左右的历史增加了200米左右。
就这样，李白前面提到的那句名言:“古人若流水今日，皆望明月。”好像不太对。古人看到的月亮比今天的月亮大，古人观察到的日全食比现在更完整。但是，如果“未来人类”在很多年后到来，恐怕只能看到日食了。6亿年后，地球与月球的距离将增加23500公里。从此以后，即使月球在近地点，地球在远地点，也不会再因为月球离地球太远而发生日全食。当然，月球实际轨道的平均半径是38.4万公里，6亿年的变化在6%左右，还是很小的一个量。
如果月球自转速度比地球快，
这不是月球和地球的现实，可能是其他某颗卫星的情况，基于假设简单讨论一下。
根据卫星绕行星轨道的规律，公转速度越大，轨道半径越小。月亮现在处于一个月的公转周期。假设它的速度会在短时间内突然快速增加，轨道半径会从38万公里减小到继续减小，直到小到4.2万公里左右。当时月球绕地球一周只需要一天。我们一年没有一月到十二月，只有日复一日。月球成了地球的同步卫星(图3b)，无雨无晴。我们每时每刻看到的都是同一个月亮，有的地方能看到，有的地方看不到！那么，假设月球的公转速度固定在某个略快于地球自转的状态，我们将重新考虑图3a中潮汐产生的摩擦力对地月系统的影响。这时，图中的方向就要反过来了，因为卫星的公转周期比行星的自转周期要短，潮汐水峰会加速行星(地球)的自转，从而降低卫星(月球)的角动量和能量，所以行星不会把卫星向外推，而是把卫星拉向自己。最后，卫星落入行星。
地球为什么不锁定月球？
月球自转的公转周期是同步锁定的，这样月球只面向地球一面。在刚才的解释中，如果我们交换月球和地球的位置，同样的原理也应该适用于地球，但地球并不是只面向月球的一面。为什么？为什么地球没有被月球的潮汐力“锁定”？
不难想象，问题的答案一定与月球和地球的相对大小有关。大的容易影响和控制，小的不容易影响大的。具体来说，“潮汐锁定”是需要时间的，但它是逐渐锁定的，不会在一瞬间完成。恒星越大，锁定的时间越长。其实地球的自转速度就像刚才分析中说的那样逐渐变慢，这和锁定的变化方向是一致的。
两个天体相互锁定的速度有多快，取决于两个天体的质量比。在太阳系的行星中，月球和地球的质量比是最大的:它的质量是地球的1/81(1.2%)。如果你也考虑“矮行星”，你就比不上冥王星的卫星凯伦。卡伦与冥王星的比值较大，质量比为11.65%。这个大小比使得它们的共同质心完全在冥王星之外。所以有人认为，不应该把卡伦看成冥王星的卫星，而应该看成是两者都绕质心旋转的双(矮星)恒星系统。凯伦和布鲁托处于潮汐锁定的状态。他们转圈跳了6.387天的双人舞，总是用同一个“脸”对着对方，但都看不到后脑勺，如图4a所示。
轨道共振
月球自转和公转同步的现象类似于一种共振，称为自旋轨道的“引力共振”，或自旋轨道共振。月球的共振属于公转比的自转周期为1:1的情况。在天体运动中也观察到许多其他比率的自旋轨道共振。例如，水星的自转与其围绕太阳公转的周期之比为3:2。
除了天体本身的自旋与轨道的耦合外，两个相对较近的天体的轨道也会相互耦合，产生共振。轨道共振是天体力学中常见的现象，类似于反复外力摆动的累积效应。比如木星的伽利略卫星Ganymede 3，Ganymede 2，Ganymede 1的1:2:4共振，冥王星和海王星的2:3共振。图4b是死星和海王星的轨道共振。
月亮不是“半遮半掩”
更仔细的计算表明，从地球上只能看到半个月亮，但能看到整个月亮的59%左右。地球一转，你总能瞥见月球背面隐藏的秘密！这额外的9%与另一种叫做“平衡运动”的天体运动机制有关。
宇宙不是钟表，天体按照引力定律运动，但运动无时无刻不在改变天体的相对位置，使得运动定律不断变化。但是，有一些变化。对于太阳、地球、月球组成的三体系统来说，相互公转和各自自转是最基本的，而其他的则可以看作是超越基本运动状态的“修正”。
平衡运动是一种缓慢的摆动，平衡就是平衡，平衡中有振动和摆动，所以叫“平衡运动”。对于月球来说，自转和公转已经同步锁定，但一些微小的摆动使地球上的观测者在不同时间看到的月球表面略有不同。这些摆动有四个原因:纬度平衡、经度平衡、昼夜平衡和身体平衡，如图5所示。
经度平衡的移动是因为月球的轨道不是一个完美的圆，而是一个有点偏心的椭圆，这样人类就可以在东西两侧多观测到大约235公里的月球表面，如图5a所示。
纬度平衡是由于月球的旋转轴与月球轨道平面不是绝对垂直，相当于在南北两极方向多看到200公里左右，如图5b所示。
周日的平衡运动是由地球自转引起的，使地面的观测者从地球中心与月球连线的西侧转向东侧，这将使赤道观测者在东西两侧多看到约30公里，如图5c所示。
前三种平衡运动可以归结为几何原因，与轨道、轴线方向或地球大小等几何因素有关。另一种物理平衡是各种原因(如地球引力、其他天体引力、月球地震等)引起的月球摆动。).但物理平衡比几何平衡小很多，只有百分之几，一般被忽略。
开玩笑的说，月亮女神喝了太多酒，但基本上还是保持了平衡，只是有点摇摇晃晃，让地球人利用漏洞多看了几眼。太阳系的卫星里有一个醉汉，不能保持基本平衡。那是土星的第七颗卫星:泰坦。土卫六也是被土星拉着同步旋转的，但是由于轨道偏心率大，形状不规则，体积小，所以自转周期混乱随机。所以泰坦在旋转的同时摆动很大，土星无法同步锁定。这颗卫星不是月球上的那种“淑女”。在摇头的过程中，它在土星面前展示了它的整个身体。
以上是月球“半掩”背后的物理知识。在下一篇文章中，我们将详细介绍土星和土卫六等的混沌运动。
