2.1　为什么月球总是一面朝向地球？

离开了地球，让我们前往这次太阳系之旅的第二站：月球（图2.1）。

月球是地球唯一的天然卫星。它与地球的平均距离约为38万千米，并自西向东沿逆时针的方向围绕地球旋转。与此同时，它也在自西向东沿逆时针的方向自转。值得一提的是，月球是一颗相当巨大的卫星：它的直径大概是地球的27%，而质量大概是地球的1.23%。这个相对比例在太阳系所有的卫星中都是鹤立鸡群的。

前面说过，月球本身不会发光，只能反射太阳光。由于反射太阳光的能力不同，月球表面就呈现出了明暗交错的样子。明亮的区域是月球上的高原，被称为月陆；而阴暗的区域是月球上的盆地，被称为月海。月球表面还有一个很显著的特征：到处都是星罗棋布的环形山。所谓的环形山，其实就是小行星或彗星撞击月球表面所形成的大坑，因此也被称为撞击坑。据统计，光是直径超过1千米的撞击坑，在月球上就有不下30万个。

很早以前，人们就注意到了一个非常诡异的现象：月球总是一面朝向地球。换句话说，我们在地球上只能看见月球的一面（即正面），而永远看不见它的另一面（即背面）。这到底是怎么回事呢？

为了回答这个问题，让我从一个大家非常熟悉的自然现象说起。

众所周知，地球上的海水每天都会周期性地发生涨潮和落潮，这就是所谓的潮汐现象。其中“潮”由“水”和“朝”组合而成，代表“早上的涌水”；而“汐”由“水”和“夕”组合而成，代表“黄昏的涌水”。“潮”和“汐”合在一起，就描述了海水每天在与海面垂直方向上的周期性涨落。

那为什么会发生潮汐呢？最早猜出正确答案的人，是大天文学家约翰内斯·开普勒（图2.2）。

前面说过，开普勒于17世纪初提出了著名的行星运动三定律，因而被后世称为“天上的立法者”。但不幸的是，如果要用一个字来形容这个科学巨人的生活，那个字肯定是“惨”。

开普勒出身贫寒，一直都很贫穷。1601年，他当上了神圣罗马帝国的皇家天文学家。这听起来挺高大上的。但由于神圣罗马帝国长年打仗，国库空虚，所以就把开普勒的薪水砍到了只有他前任的一半。即使如此，开普勒依然会时不时地被拖欠工资。

最严重的一次欠薪发生在1630年的下半年。那一次，开普勒被拖欠了好几个月的工资，家里已经穷得揭不开锅了。无奈之下，他只好做了一次长途旅行，跑到雷根斯堡去找皇帝讨薪水。但不幸的是，刚到雷根斯堡没多久，开普勒就得了一场大病，不但没有讨到薪水，反而把自己的性命给赔进去了。

开普勒生前贫寒，死后也没有得到安宁。去世以后，他被葬在了雷根斯堡的一个教堂。但是“三十年战争”后来还是席卷了雷根斯堡，把那个教堂，包括开普勒的墓地，全都夷为平地。时至今日，人们也无法再找到开普勒的安息之处。唯一流传下来的，是他自己给自己写的墓志铭：“I measured the skies, now the shadows I measure; Skybound was the mind, earthbound the body rests.（我曾测天高，如今又量地深；上天赐予我灵魂，大地收容我的俗身。）”

1609年，开普勒提出了一个关于潮汐起源的理论。他认为，地球上之所以会有潮汐，主要是由于月球的吸引力。事实上，这个理论已经远远超越了时代。因为要再等整整78年，牛顿才能提出万有引力定律。直到那时，人类才能彻底地理解潮汐的起源。

图2.3就是地球上能产生潮汐现象的原理图。

由于地球本身有一定的大小，地球表面就会有一个地方离月球最近（也就是图中的月下点），同时还有一个地方离月球最远（也就是图中的对跖点）。牛顿的万有引力定律告诉我们，任意的两个物体之间都存在引力，而且引力的大小与它们距离的平方成反比。这样一来，因为离得最近，月下点受到的月球引力就最大；而由于离得最远，对跖点受到的月球引力就最小。这种引力的差异就是所谓的潮汐力。

很明显，在潮汐力的作用下，地球表面的海水就会在地月连线的方向上发生“隆起”的现象。换句话说，在月下点和对跖点，海水会出现高潮；而在两者中间的圆环区域，海水会出现低潮。由于月球在不断地绕着地球旋转，月下点和对跖点的位置就会发生周期性的改变，从而使全球的海水出现周期性的涨潮和落潮。这就是潮汐现象的由来。

很明显，月球本身也有一定的大小，所以地球对月球同样也会有潮汐力。虽然月球上没有海洋，但是地球的潮汐力可以直接作用在月球的岩石上；这样一来，月球也会在地月连线的方向上发生“隆起”。

在遥远的过去，月球的自转速度比现在要快不少，使月球正对地球的位置不断发生改变。这样一来，月球受地球潮汐力而“隆起”的部位也在不断发生改变，从而对月球内部的岩石产生了一个摩擦力。所谓的摩擦力，是一种能阻碍物体运动的力量；在日常生活中，让汽车火车能够停下来的，就是这种力量。正是这个摩擦力，减慢了月球的自转速度。

最终，地球的潮汐力把月球的自转速度减慢到了一个临界值：27.32天自转一圈。换言之，月球的自转周期恰好与它绕地球转一圈的周期相等，从而让月球的一面一直都朝向地球。此时，月球受地球潮汐力而“隆起”的部位不再发生改变，从而让月球内部的岩石不再受摩擦力，进而达到一个稳定的平衡状态。这意味着，这个月球自转速度就不再发生改变，从而使月球的一面永远都朝向地球。这在科学上被称为“潮汐锁定”。

顺便再多说一句。潮汐力不仅能减慢月球的自转速度，还能减慢地球的自转速度。事实上，与创生之初相比，目前地球的自转速度已经被减缓了一半以上。换句话说，正是由于月球的潮汐力，地球上的一天才由最初的10小时变成了今天的24小时。

我们来做个总结。很早以前人们就注意到，月球总是一面朝向地球。这是月球被地球引力潮汐锁定的结果。由于月球本身有一定的大小，它会受到地球的潮汐力，从而在地月连线的方向上发生“隆起”。这对月球内部的岩石产生了一个摩擦力，进而减慢了月球的自转速度。最终，月球的自转速度被减慢到27.32天自转一圈，这恰好与月球绕地球转一圈的周期相等。此后，月球达到了稳定的平衡状态，从而使月球的一面永远都朝向地球。

除此以外，科学家们还发现了一件有趣的事情：地球与月球间的平均距离，大概每年都会增加3.8厘米。听起来有点不可思议吧。这么微小的距离变动，到底是怎么测出来的？这就不得不提到人类历史上最著名的航天项目：阿波罗计划。