月球正在远离地球吗？

2022-11-11

01由于地球与月球之间的引力作用（类似潮汐），月球正在远离地球。月球每年远离地球约3.8厘米。
月球远离，“真凶”是谁？
1695年，埃德蒙·哈雷开始埋首于彗星轨道的研究。这是一件极端需要勤奋与耐心的工作，不光是因为惊人的计算量，还有从卷帙浩繁的故纸堆里一点点搜寻相关记载的水磨工夫。直到十年后哈雷才发表了关于那颗后来以他名字命名的彗星的计算，但在那之前，他先发现了一件看上去匪夷所思的事：
从历史记录中的日月食时间来看，月球的运行速度似乎发生了变化。
要是再退回去两百年，恐怕根本不会有人相信月亮居然会有什么改变。幸好在哈雷那个时代，科学刚刚取得了一个伟大的胜利：《自然哲学的数学原理》出版，牛顿的万有引力理论为人类提供了分析和认识宇宙的武器。如果没有证据表明历史记录出了错，那么记录下来的事不管有多难以置信，都应该先认为它发生了。于是天文学家们摩拳擦掌地向这个谜团扑了上去：首先是计算出了月球运动的变化量，每一百年多移动了10角秒。10角秒是多大的距离？它仅仅是1度的1/360 。这样的变化真是太微乎其微了，难怪直到17世纪末才被察觉。天文学家由此计算了月球的轨道，这个发现意味着它正在远离我们。没人对此感到恐慌，牛顿已经告诉了大家，引力挥舞着控制整个太阳系乃至整个宇宙的指挥棒，一定有什么东西的引力影响着月球，只需要找出它是谁。太阳是第一个“嫌犯”：它的质量最大，引力作用想必也最大。其次是金星，它是离地球最近的行星。不过接下来的计算就让天文学家们有些挫败：太阳的影响——专门术语叫“摄动”——顶多只能解释月球运动变化量的一半，而金星的摄动完全可以忽略不计。至于火星，比金星更小又更远，那就更不能指望了。
解释这个现象的最终可能落在了地球身上。在哈雷发现月球变化的一个半世纪之后，人们确定了导致月球远离地球的“真凶”：那就是地球自己。
地月相吸，为何越来越远？
假如地球和月球都像高中物理习题集的描述那样只是一个质点，那地球的引力是绝不可能反而把月球推走的。但它们在真实世界中不但是个巨大的球，而且是个会变形的巨大的球。要是你曾经在皓月当空的夜晚在海边漫步，就会对这种变形有着深刻的感受。同一个地点的海面每天会经历两次高潮——月球吸引着包裹在地球表面的海水，形成一个椭球形的“水球”，水球的长轴方向从地球指向月球。长轴方向的海面在一天中达到最高，这是“潮”；短轴方向的海面在一天中最低，这是“汐” 。
潮和汐的产生，是因为地球表面不同的地方受到不同大小的月球引力，所以物理学上用“潮汐力”来称呼由于引力差异而产生的力。地球在月球的影响下产生潮汐，月球虽然表面没有海洋，也照样会在地球的影响下产生非常微小的拉伸变形，不妨把这看作是固体的“潮汐” 。
现在你退到海岸的高处，海面不断升高，浸湿了沙滩。别忘了，与此同时地球在自转，而月球在绕着地球公转。地球自转比月球公转快得多，所以海面的最高点根本来不及恢复原状，马上就会被地球的自转带到月球的前方：瞧，月亮不是渐渐偏西了吗？这一大团凸出的海水可以近似地和月球单独“结算”引力，前方的海水和落在它身后的月球互相拉扯。先进带动后进的结果是月球在轨道上获得了加速度，来自地球的引力不能让它安分待在原来的轨道上，于是月球窜到了能量更高、离地球更远的轨道，这就是“潮汐加速” 。而地球呢？原本好好的自转着，却被一团向后的海水拖了后腿，自转的速度不得不稍微放慢一点。这样的情况每时每刻都在地球的海面上发生，日积月累，后果终于变得不可忽略。
【月球正在远离地球吗？】要是你觉得地球的变化似乎很难有切身体会的话——过去 10万年累积下来，地球的自转周期一共变慢了1.5 秒，这确实对我们的生活没啥影响。那么我们不妨抬头看看月球，月球并不是天生这样痴心一片朝向我们的，它当初也有自转，只是它的质量比地球小，自转已经被来自地球的潮汐力“消灭”了。月球表面的固体潮最后被牢牢地锁定在正对地球的方向，永远只能用同一面朝向地球，这就是“潮汐锁定” 。
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