难忘的潮汐奇观 （续）

深夜仰望美丽的星空，你是否想过月亮为什么总以相同的一面朝向地球，目不转睛、深情地凝视着我们？为什么木星的卫星上会有几百公里高的火山爆发？土星的光环又从何而来？遥远的星系为何象锦鸡一样有条长长的漂亮尾巴？其实这些现象都与“潮汐作用力”有关。

一个星球总会对其绕行的星球施加一个引力场分布，从而产生使该星球上各点之间相互运动的“潮汐作用力”，（详见“看潮汐奇观，读趣味物理”、“看潮汐奇观，读趣味物理（续篇）”）。我们应该认识到这种“潮汐作用力”无处不在，它不仅影响地上，也左右着星空。

月亮总以一个面朝向地球的原因正是“潮汐作用力”。只是这里讨论的“潮汐作用力”是地球对月球的作用力，我们可以照搬“看潮汐奇观，读趣味物理”中的分析，只是把月球与地球倒过来，研究地球引力对月球的作用。当然月球上沒有海洋，无法引起海水潮汐，但是由於地球引力而产生的对月球的这种上下压缩，两边拉伸的现象依旧客观存在。月球本身也不是严格意义上的刚体，它必然会在这种“潮汐作用力”影响下轻微变形，即上下压缩，前后突出成紡錘状，突出部一端朝向地球，另一端背向地球。由于月球的自转，这种紡錘状的突出变形对于月球必定要作相对的旋转运动，以保持突出部朝向地球，这种相对旋转运动尤如把月球当作面团不断地揉搓，在月球内部产生巨大的磨擦力，持续地消耗月球的转动动能，也就是逐漸地减慢月球的转速，直到月球的自转慢到与月球绕地球公转的周期一致[1]。这时候这个紡錘状突出体相对於月球再也没有转动，而却依然可以正确地正对地球，因为月球的自转与公转同步，月球一直以相同的一面，也就是突出面正对地球。 这时月面的凸起就被"冻结"起来，有一处凸起就在我们所看到的这一面的正中央，永远对着我们。另一处凸起就在我们所看不到的那一面的正中央，永远背着我们。在月球运行时，这两处都不再变动位置，于是不再有升降变动，也就没有摩擦效应来改变月球的自转周期了。这時候，地球的“潮汐作力”对“月球面团”的揉搓过程无以为继[2]，再也没有内部磨擦力消耗月球的自转动能，系统趋於平衡，月球永远以相同一面朝向地球，这种现象又被称作“潮汐力”锁定。

图A 地球对月球的“固体潮汐作用力”使月球变成紡錘状（图中黑线表示紡錘状月球，小红圆是月球内核，为了讨论的方便，图的比例作了有意的夸大），从此图可看出只有当月球的自转与月球繞地球公转同步（即月球在繞地球一圈后，月球正好自身旋转一圈），纺锤状月球的头部可以始终朝向地球，而月球不再需要不断变形（月球的紡錘状突起被固定下来），“月球面团”的揉搓过程停止，系统趋于平衡。

图A

应该指出，同样的机制也在影响着地球的自转，只不过月球对地球的“潮汐作用力”远远小於地球对月球的“潮汐作用力”（估计约为 1：80），而且地球的质量巨大，所以地球转动角速度降低的过程非常之缓慢。一般来说，一个星球与它的卫星之间都有“潮汐作用力”的相互作用，其最终结果是它们自转与公转的周期会趋于一致，最后总会以相同一面朝向对方，就象旋转着的两个舞伴，始终面面相向脉脉含情地凝视着对方。就在几周前，NASA 有新的实验观察数据证实了在地球的“固体潮汐作用力”影响下月亮有突出部存在，测量到的长度约为51CM。有兴趣的读者可以查看： http://www.sciencedaily.com/releases/2014/05/140529142540.htm

让我们的目光离开月亮，伸向远处，去看一看我们地球的远邻-木星。木星有四颗卫星（也可以说，木星有四个月亮作伴，木星也太不专情了，在情场上木星可一点也不“木”），即木卫一、木卫二、木卫三、木卫四，是意大利天文学家伽利略在1610年发现的，因而得名为伽利略卫星。

图B是木卫一表面的图像，来自美国宇航局的飞船，拍摄时间为2007年3月，但今年（2014年3月）才被美国宇航局公布出来，我们从图中可以看到大型的火山口和充满黑斑的表面。经研究证实木卫一的表面有非常活跃的火山活动，它是太阳系中火山活动最频繁的天体，已知木卫一表面有超过400座活火山。木卫一表面的火山热点温度高达摄氏1610度左右，相较之下，地球上的火山（如夏威夷的几劳亚火山等）只有摄氏1000度左右。科学家最新发现的木卫一的一座火山的巨型喷流高度竟然接近320公里（庞贝公元79年8月24，维苏威火山一声怒吼，超高温的熔岩和气体冲上15公里高空，但与木卫一上的火山爆发相比实在是小巫见大巫了，不值一提）。

图B

是什么原因使这颗与月亮大小几乎相同的木卫一如此噪动不安？这样众多的火山、和超级的火山喷发的能量从何而来？答案又是那“潮汐作用力”。木星和木星的另外二颗卫星对木卫一的交互“潮汐作用力”是如此之巨大，使木卫一的表面相距几十米的地方竟有將近一百米的起伏，这种“固体潮汐”的浪头比我们地球上海洋潮汐还要高近十倍。这就不难理解由这种固体间的强烈摩擦会产生出如此巨大的能量。

再让我们的目光向远方看去，那里就是太阳系里的一颗远方的行星-土星，土星美丽动人的光环恒久的吸引着人们的关注，这条神秘的光环有着致密的肌理和素雅的色彩，犹如一只精心打磨出来的极品玉环。

观察和研究表明，土星环实质上由无数细小颗粒（直径从数十米到微米级）组成，这些微卫星集体繞着土星旋转，形成了这条宽达20万千米、厚度只有数十千米的完整的圆环。

图E 土星光环

土星周围何以会聚集起如此众多的细小颗粒呢，起决定性影响的还是那“潮汐作用力”。由于土星的巨大质量，和土星卫星的绕行轨道相对靠近土星，土星对这些卫星的“潮汐作用力”是如此之巨大，因之生生地把这些卫星撕裂成我们今天所见到的无数细小颗粒[3]。

图F 小天体如何在“潮汐作用力”下解体的过程[4]。

现在让我们跳出太阳系，离开银河系，把目光投向更为遥远的星空。这是哈勃太空望远镜拍摄的形影不离的星系对（Galaxy Pair）Mrk 1034，它们位于北方星座的三角座，是两个非常相似的 星 系 ，编号分别是PGC 9074，9071。每个星系里包含亿万颗星球和气团，我们可以把每个星系看成一个实体，这两个实体星系可看作两个星球在对方的引力作用下相互绕转。

注意图G左方的 PGC 9074星系的形状与“看潮汐奇观，读趣味物理”一文中图C的“潮汐作用力”何其一致，这实质上就是PGC 9074星系中亿万颗星球和气团作为一个整体受到邻近星系PGC 9071的“潮汐作用力”，被前后拉伸，上下挤压，最后成椭圆状星系（或可称紡錘状星系）。

图G

月亮的“潮汐作用力”产生了地球上海洋每日两次的潮汐过程，星系之间的“潮汐作用力”与之类似，但常常会有更强烈的效应，其原因有两条：首先，星系中的星球和气团远不如地球上的物质那样被自身引力致密地束缚在一起，仅仅是在空旷的星系空间通过引力相互联系，因而“潮汐作用力”的径向分量和切向分量均无法为星系内自身引力所抵消。其次，星系并合时，彼此距离逐渐接近，星系的尺度与星系距离之比远大于地球直径与地月距离之比，这个比值越大，“潮汐作用力”就越强烈。

“潮汐作用力”对星系的作用力有时会变得如此强大，以至于在被作用的星系里活生生地拉拽出长长的由气体和星球组成的 “潮汐尾”。

图H就是号码为NGC 4676的双鼠星系，它由两个螺旋星系IC 820（左）和IC 819（右）组成。它们位于后发座，离地球约3亿光年。它的名字来源于其长长的尾巴，往往也被称为鼠尾。这长长尾巴的形成就是“潮汐作用力”结果。最有意思的是条尾巴偏偏是背向另一个星系，与人们的常识相背，却完全与我们所分析的“潮汐作用力”相吻合。

图H

行文至此，心中充满了喜悦，我似乎感觉到有一只看不见的手在无垠的太空中作画，它画出的“椭圆状星系”和“潮汐尾”，仿佛就是在为我们的“潮汐作用力”作最为印象、最为直观的背书。

我们这一路走来，从地球上的海洋潮汐说起，然后引出月球在“潮汐作用力”下的变形和“潮汐力”锁定，再进一步讨论了“潮汐作用力”引起的木卫一的火山爆发奇观和土星美丽的光环，最后我们投向深空，用离开我们数亿光年的椭圆状星系和“潮汐尾”为我们的“潮汐作用力”作出最具体最直观的证明。

我们讨论的客体从小到大，观察的物体有海水、岩石、星云和气团，视野横跨了上亿年的时空，我们竟然可以用同一个模型，同一个数学方程，来正确地解释和描述这些千奇百怪的现象，真是不能不钦佩物理的伟大。我不知道世上是否存在普世的价值，但我清楚物理为宇宙中一切物质的运动和变化提供了普世的理论和模型，真想喊一声人类理智万岁！

[1]月球形成的初期是一团高速自旋的气团，正是地球对月球的“潮汐作用力”使其自转速度逐渐减慢，直到自转与绕地公转速度同步，月球永远以相同的一面朝向地球。应该指出的是，如果月球初始自转速度慢于公转速度，地球对月球的“潮汐作用力”会通过对“月球面团”的揉搓过程来提增月球的自转速度，直至自转与绕地公转速度一致，对“月球面团”的揉搓过程停止，系统趋于平衡。

[2]当月球的自转与月球绕地球公转同步時，系統趋于平衡，地球的“固体潮汐作用力”对“月球面团”的揉搓过程不再绕着月球进行，但地球的“固体潮汐作用力”依旧存在，月球的两边压缩，前后伸长的变型会继续下去。

[3]对土星光环生成的机理学术界还有爭论，但“潮汐作用力”无疑起着至关重要的影响，即使光环产生的初始阶段另有其它原因，但光环中的颗粒无法聚结引成較大的卫星，完全应归于“潮汐作用力”，它会把一切聚结而成的卫星撕裂成散片，把新生的卫星扼杀在它们的襁褓之中。

[4]法国天文学家洛希用另一种方法研究潮汐效应，他证明，任何坚固的天体，在接近另一个比它大得多的天体的时候，都会受到强大的潮汐力作用而最终被扯成碎片。这个较小的天体会被扯碎的距离称为洛希极限，通常是大天体赤道半径的2.44倍。这样，土星的洛希极限就是2.44乘以它的赤道半径60,000公里，即146,400公里，土星Ａ环的最外边缘至土星中心的距离是136,500公里，因此整个环系都处在洛希极限以内。

[5]本文的图片A由王博士提供，其他均来自网上。

本文是“潮汐力”科普系列最后一篇，该系列到此结束。谢谢我的好友们、读者们和科学网编辑一路的关爱和鼓励。在此顺祝诸位身体健康，中秋快乐！

据读者反映，前文“看潮汐奇观，读趣味物理（续篇） ”中的有关红色潮汐的配乐视频播放有问题。我现在把视频文件转送到优酷网站，经测试效果还可以。有兴趣的读者可以点击下面链接收看。
2011年圣地亚哥海滩的发光潮汐的配乐视频
链接:http://v.youku.com/v_show/id_XMTM0Mjk5OTAxMg==.html