张君波范舟张君波范舟张君波范舟张君波范舟范舟张君波范舟

为什么海洋每12个小时要经历一次潮起潮落？

为什么人们抬头望月只能看到月球正面？

太阳系的8颗行星中，为什么有的行星会自带光环……

这些看似奇怪的现象，在宇宙中却是普遍存在的，让我们一探究竟吧！

撰文/张君波范舟（中国科学院国家天文台）

不均衡的引力

引潮力

引力潮汐力，简称引潮力，是指一切天体对其他天体或物体的引力差，会导致后者发生形变。它是作用在两个天体间无形的手！

根据牛顿的万有引力定律，两个物体之间的引力同它们的质量成正比，同距离的平方成反比。天文学家在计算天体引力时，通常将它们视为一个“质点”，忽略体积。但在计算相距较近的天体引力时，例如地月系统，体积就不能忽略了。造成天体间相互绕转运动的是天体间的平均引力，即平均引力提供了向心力，而在近点、远点所受实际引力与平均引力的差就形成了引潮力。

看引潮力如何调度

“潮涨潮落”

地球会受到来自太阳系内各个天体的引潮力，其中月球以近取胜占主导，太阳以质量优势次之，其他基本可以忽略。

要了解海水潮汐的成因，首先让我们来到地球北极上空，俯瞰地球和月球。它们像是一对深情的舞者，各自优雅地旋转又结伴而行。虽然它们是两颗独立的星球，却像被一条无形的纽带紧紧地连在一起，这条纽带就是两个天体间的平均引力所形成的向心力。

地球半径6378千米，不同位置受到的月球引力相对平均引力会有一定的差别，即存在引潮力。其方向，在近月点指向提供引力的天体，即月球；在远月点背向此天体（小减大得负力），从地面看则力的方向是向上的。

于是，我们可以看到如上图所示的情景，海水由于引潮力的影响，在近月点附近高高隆起，在远月点亦是如此。地球自转为24小时，相比之下，月球在24小时内移动很少，因此人们就可以在一天之内经历2次海水涨落潮。

另外，由于地球在自转，速度比起地月系的绕转速度要快得多，即地球上的潮汐隆起总比月球前进得更快，而月球的引力会拖拽住地球的潮汐，产生的摩擦力会阻碍地球的自转，使得地球自转逐渐变慢。由于地月系统角动量守恒，减少的地球自转角动量会转移到月球上，导致月球的轨道逐渐变大，也就是现在的月球正以约4厘米/年的速度远离我们的地球。

只有一面朝向地球

被潮汐锁定的月球

如果说月球要对地球海洋潮汐负责，那么地球对月球的引潮力会引起什么样的后果？

地球质量约是月球的81倍，在距离不变的情况下，质量成为王牌，于是地球对月球的引潮力大到足以将月球“潮汐同步锁定”，即月球自转周期与绕地球公转周期一致。看似如此精准的巧合，背后隐藏着非常复杂的动力学原因，这恐怕要从月球形成之初讲起。

月球被认为是地球在受到巨大天体撞击后，抛出去的一团炽热的熔化物在引力作用下形成的一个天体，其自转轴随机。上面提到的引潮力的影响也会复现在月球上，由于受到地球引潮力的影响，炙热的熔化物会沿着两个天体的核心连线向两侧隆起，形状似橄榄球。由于自身引力作用，在月球自转过程中，这些隆起最终又会回落，再隆起，再回落……虽然有滞后。

在不断重复这个过程中，月面的“潮汐”通过摩擦力逐渐阻碍月球的自转，使得月球自转逐渐变慢。同时由于能量守恒，在同样力的作用下，随着月球自转速度降低，月球的轨道距离逐渐增大，月球也从最初形成的位置慢慢飘离地球。最终，它的自转轴变成单轴，自转一周与它绕地球公转一周的时间相同，这时，不会再受到摩擦力的作用，也就成为了今天我们所看到的地月运行的样子。

其实潮汐锁定现象在宇宙中相当普遍，只要时间足够长，两个独立的、相互绕转的天体终究会被彼此潮汐锁定。那是否有一天地球也会被太阳潮汐锁定呢？这是当然的！真的到了那一天，生活在地球上的我们不会再经历昼夜更替，地球面向太阳的一面将永远是白天，而另一面将进入永久的黑夜，想想还是很可怕的。

看起来总是大的天体潮汐锁定小的天体，那么小的天体会锁定大的天体吗？同样也会的，但是这个过程会更加漫长。例如，月球要想潮汐锁定我们的地球，至少要花上500亿年，不过，那时候我们的太阳系可能早就不复存在了。

被粉碎的界限

洛希极限

如果说潮汐锁定是天体之间达到的一种相对稳定的状态，那么一种不稳定的状态会是什么样子？假设一大一小两个天体质量已定，其中小天体从无限远处奔向大天体的怀抱，在这个过程中，其所受到来自大天体的引潮力逐渐增大，当到达某个距离时，引潮力和其自身凝聚成球的引力达到平衡。一旦更近一步，引潮力便会大于其自身引力，从而将小天体撕碎。这个赫赫有名的极限距离，最早是由爱德华·洛希计算出来的，因此后人将此距离称为“洛希极限”。

月球之所以能够和地球快乐地跳起“华尔兹”，很明显它们都懂得“分寸”，不会靠得太近。可是宇宙之大，总有一些“不明事理”的家伙冲进别人家的领地，当其突破洛希极限时，“受伤”的事情就会发生。

如果有一天，月球受到外力冲击导致轨道变小，突破了地月之间的洛希极限，那么月球将被瓦解成碎片，成为地球的光环。宇宙中不乏这样的例子，瞧瞧我们的邻居——土星，它的环即位于洛希极限内，可想而知光环的由来咯。

现在我们了解了地球海洋的潮汐，月球的深情，土星的光环……这些看似神奇却在宇宙中普遍存在的现象，通通和引潮力有关，可以用牛顿的万有引力定律来解释。

在感叹宇宙之大、宇宙之神奇时，我们还要向诸如牛顿的先辈们致敬，是他们让后人能够站在巨人的肩膀上继续探索宇宙的奥秘。年轻的朋友们，人类的未来在地球之外，探索宇宙，永无止境！

本文综合整理自《知识就是力量》杂志，原标题《引潮力——天体间无形的手》，作者张君波、范舟，有删改，原创作品转载请注明来源。