月球正在遠離地球嗎?
由於地球與月球之間的引力作用(類似潮汐),月球正在遠離地球。月球每年遠離地球約3.8釐米。
月球遠離,“真兇”是誰?
1695年,埃德蒙·哈雷開始埋首於彗星軌道的研究。這是一件極端需要勤奮與耐心的工作,不光是因爲驚人的計算量,還有從卷帙浩繁的故紙堆裏一點點搜尋相關記載的水磨工夫。直到十年後哈雷才發表了關於那顆後來以他名字命名的彗星的計算,但在那之前,他先發現了一件看上去匪夷所思的事:
從歷史記錄中的日月食時間來看,月球的執行速度似乎發生了變化。
要是再退回去兩百年,恐怕根本不會有人相信月亮居然會有什麼改變。幸好在哈雷那個時代,科學剛剛取得了一個偉大的勝利:《自然哲學的數學原理》出版,牛頓的萬有引力理論爲人類提供了分析和認識宇宙的武器。如果沒有證據表明歷史記錄出了錯,那麼記錄下來的事不管有多難以置信,都應該先認爲它發生了。於是天文學家們摩拳擦掌地向這個謎團撲了上去:首先是計算出了月球運動的變化量,每一百年多移動了10角秒。10角秒是多大的距離?它僅僅是1度的1/360。這樣的變化真是太微乎其微了,難怪直到17世紀末才被察覺。天文學家由此計算了月球的軌道,這個發現意味着它正在遠離我們。沒人對此感到恐慌,牛頓已經告訴了大家,引力揮舞着控制整個太陽系乃至整個宇宙的指揮棒,一定有什麼東西的引力影響着月球,只需要找出它是誰。太陽是第一個“嫌犯”:它的質量最大,引力作用想必也最大。其次是金星,它是離地球最近的行星。不過接下來的計算就讓天文學家們有些挫敗:太陽的影響——專門術語叫“攝動”——頂多只能解釋月球運動變化量的一半,而金星的攝動完全可以忽略不計。至於火星,比金星更小又更遠,那就更不能指望了。
解釋這個現象的最終可能落在了地球身上。在哈雷發現月球變化的一個半世紀之後,人們確定了導致月球遠離地球的“真兇”:那就是地球自己。
地月相吸,爲何越來越遠?
假如地球和月球都像高中物理習題集的描述那樣只是一個質點,那地球的引力是絕不可能反而把月球推走的。但它們在真實世界中不但是個巨大的球,而且是個會變形的巨大的球。要是你曾經在皓月當空的夜晚在海邊漫步,就會對這種變形有着深刻的感受。同一個地點的海面每天會經歷兩次高潮——月球吸引着包裹在地球表面的海水,形成一個橢球形的“水球”,水球的長軸方向從地球指向月球。長軸方向的海面在一天中達到最高,這是“潮”;短軸方向的海面在一天中最低,這是“汐”。
潮和汐的產生,是因爲地球表面不同的地方受到不同大小的月球引力,所以物理學上用“潮汐力”來稱呼由於引力差異而產生的力。地球在月球的影響下產生潮汐,月球雖然表面沒有海洋,也照樣會在地球的影響下產生非常微小的拉伸變形,不妨把這看作是固體的“潮汐”。
現在你退到海岸的高處,海面不斷升高,浸溼了沙灘。別忘了,與此同時地球在自轉,而月球在繞着地球公轉。地球自轉比月球公轉快得多,所以海面的最高點根本來不及恢復原狀,馬上就會被地球的自轉帶到月球的前方:瞧,月亮不是漸漸偏西了嗎?這一大團凸出的海水可以近似地和月球單獨“結算”引力,前方的海水和落在它身後的月球互相拉扯。先進帶動後進的結果是月球在軌道上獲得了加速度,來自地球的引力不能讓它安分待在原來的軌道上,於是月球竄到了能量更高、離地球更遠的軌道,這就是“潮汐加速”。而地球呢?原本好好的自轉着,卻被一團向後的海水拖了後腿,自轉的速度不得不稍微放慢一點。這樣的情況每時每刻都在地球的海面上發生,日積月累,後果終於變得不可忽略。
要是你覺得地球的變化似乎很難有切身體會的話——過去 10萬年累積下來,地球的自轉週期一共變慢了1.5 秒,這確實對我們的生活沒啥影響。那麼我們不妨擡頭看看月球,月球並不是天生這樣癡心一片朝向我們的,它當初也有自轉,只是它的質量比地球小,自轉已經被來自地球的潮汐力“消滅”了。月球表面的固體潮最後被牢牢地鎖定在正對地球的方向,永遠只能用同一面朝向地球,這就是“潮汐鎖定”。
質量較小的月球已經被鎖定了,質量較大的地球也正前進在被鎖定的路上。月球在潮汐的幫助下,不斷地“偷走”地球自轉的能量,一直要到地球的海潮也被鎖定在正對月球的方向,潮汐的這種“吃裏爬外”的行爲纔會結束,科學家估計這需要好幾十億年的時間。到那個時候,潮起潮落和月升月落將變成遠古的歷史名詞,曆法也必將面目全非:一天和一個月長度相等,都是現在一天(24 小時)長度的47倍,一年只有不到 8天。我們太陽系的近鄰里就有這麼一對兒榜樣:冥王星和它的衛星冥衛一。這兩個天體的質量差異更小、彼此距離更近,早早地就達到了彼此的潮汐鎖定,面對面地繞着共同質心旋轉,彷彿跳着默契的雙人華爾茲一般。天體質量差別太大的系統就不太“公平”了,小天體不但被單方面“鎖定”,還要被大天體的潮汐力捏圓再捏扁,甚至可以把它捏出噴泉來,比如木星和土星的某些衛星的遭遇。
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