難忘的潮汐奇觀 （續）

深夜仰望美麗的星空，你是否想過月亮為什麽總以相同的一麵朝向地球，目不轉睛、深情地凝視著我們？為什麽木星的衛星上會有幾百公裏高的火山爆發？土星的光環又從何而來？遙遠的星係為何象錦雞一樣有條長長的漂亮尾巴？其實這些現象都與“潮汐作用力”有關。

一個星球總會對其繞行的星球施加一個引力場分布，從而產生使該星球上各點之間相互運動的“潮汐作用力”，（詳見“看潮汐奇觀，讀趣味物理”、“看潮汐奇觀，讀趣味物理（續篇）”）。我們應該認識到這種“潮汐作用力”無處不在，它不僅影響地上，也左右著星空。

月亮總以一個麵朝向地球的原因正是“潮汐作用力”。隻是這裏討論的“潮汐作用力”是地球對月球的作用力，我們可以照搬“看潮汐奇觀，讀趣味物理”中的分析，隻是把月球與地球倒過來，研究地球引力對月球的作用。當然月球上沒有海洋，無法引起海水潮汐，但是由於地球引力而產生的對月球的這種上下壓縮，兩邊拉伸的現象依舊客觀存在。月球本身也不是嚴格意義上的剛體，它必然會在這種“潮汐作用力”影響下輕微變形，即上下壓縮，前後突出成紡錘狀，突出部一端朝向地球，另一端背向地球。由於月球的自轉，這種紡錘狀的突出變形對於月球必定要作相對的旋轉運動，以保持突出部朝向地球，這種相對旋轉運動尤如把月球當作麵團不斷地揉搓，在月球內部產生巨大的磨擦力，持續地消耗月球的轉動動能，也就是逐漸地減慢月球的轉速，直到月球的自轉慢到與月球繞地球公轉的周期一致[1]。這時候這個紡錘狀突出體相對於月球再也沒有轉動，而卻依然可以正確地正對地球，因為月球的自轉與公轉同步，月球一直以相同的一麵，也就是突出麵正對地球。 這時月麵的凸起就被"凍結"起來，有一處凸起就在我們所看到的這一麵的正中央，永遠對著我們。另一處凸起就在我們所看不到的那一麵的正中央，永遠背著我們。在月球運行時，這兩處都不再變動位置，於是不再有升降變動，也就沒有摩擦效應來改變月球的自轉周期了。這時候，地球的“潮汐作力”對“月球麵團”的揉搓過程無以為繼[2]，再也沒有內部磨擦力消耗月球的自轉動能，係統趨於平衡，月球永遠以相同一麵朝向地球，這種現象又被稱作“潮汐力”鎖定。

圖A 地球對月球的“固體潮汐作用力”使月球變成紡錘狀（圖中黑線表示紡錘狀月球，小紅圓是月球內核，為了討論的方便，圖的比例作了有意的誇大），從此圖可看出隻有當月球的自轉與月球繞地球公轉同步（即月球在繞地球一圈後，月球正好自身旋轉一圈），紡錘狀月球的頭部可以始終朝向地球，而月球不再需要不斷變形（月球的紡錘狀突起被固定下來），“月球麵團”的揉搓過程停止，係統趨於平衡。

圖A

應該指出，同樣的機製也在影響著地球的自轉，隻不過月球對地球的“潮汐作用力”遠遠小於地球對月球的“潮汐作用力”（估計約為 1：80），而且地球的質量巨大，所以地球轉動角速度降低的過程非常之緩慢。一般來說，一個星球與它的衛星之間都有“潮汐作用力”的相互作用，其最終結果是它們自轉與公轉的周期會趨於一致，最後總會以相同一麵朝向對方，就象旋轉著的兩個舞伴，始終麵麵相向脈脈含情地凝視著對方。就在幾周前，NASA 有新的實驗觀察數據證實了在地球的“固體潮汐作用力”影響下月亮有突出部存在，測量到的長度約為51CM。有興趣的讀者可以查看： http://www.sciencedaily.com/releases/2014/05/140529142540.htm

讓我們的目光離開月亮，伸向遠處，去看一看我們地球的遠鄰-木星。木星有四顆衛星（也可以說，木星有四個月亮作伴，木星也太不專情了，在情場上木星可一點也不“木”），即木衛一、木衛二、木衛三、木衛四，是意大利天文學家伽利略在1610年發現的，因而得名為伽利略衛星。

圖B是木衛一表麵的圖像，來自美國宇航局的飛船，拍攝時間為2007年3月，但今年（2014年3月）才被美國宇航局公布出來，我們從圖中可以看到大型的火山口和充滿黑斑的表麵。經研究證實木衛一的表麵有非常活躍的火山活動，它是太陽係中火山活動最頻繁的天體，已知木衛一表麵有超過400座活火山。木衛一表麵的火山熱點溫度高達攝氏1610度左右，相較之下，地球上的火山（如夏威夷的幾勞亞火山等）隻有攝氏1000度左右。科學家最新發現的木衛一的一座火山的巨型噴流高度竟然接近320公裏（龐貝公元79年8月24，維蘇威火山一聲怒吼，超高溫的熔岩和氣體衝上15公裏高空，但與木衛一上的火山爆發相比實在是小巫見大巫了，不值一提）。

圖B

是什麽原因使這顆與月亮大小幾乎相同的木衛一如此噪動不安？這樣眾多的火山、和超級的火山噴發的能量從何而來？答案又是那“潮汐作用力”。木星和木星的另外二顆衛星對木衛一的交互“潮汐作用力”是如此之巨大，使木衛一的表麵相距幾十米的地方竟有將近一百米的起伏，這種“固體潮汐”的浪頭比我們地球上海洋潮汐還要高近十倍。這就不難理解由這種固體間的強烈摩擦會產生出如此巨大的能量。

再讓我們的目光向遠方看去，那裏就是太陽係裏的一顆遠方的行星-土星，土星美麗動人的光環恒久的吸引著人們的關注，這條神秘的光環有著致密的肌理和素雅的色彩，猶如一隻精心打磨出來的極品玉環。

觀察和研究表明，土星環實質上由無數細小顆粒（直徑從數十米到微米級）組成，這些微衛星集體繞著土星旋轉，形成了這條寬達20萬千米、厚度隻有數十千米的完整的圓環。

圖E 土星光環

土星周圍何以會聚集起如此眾多的細小顆粒呢，起決定性影響的還是那“潮汐作用力”。由於土星的巨大質量，和土星衛星的繞行軌道相對靠近土星，土星對這些衛星的“潮汐作用力”是如此之巨大，因之生生地把這些衛星撕裂成我們今天所見到的無數細小顆粒[3]。

圖F 小天體如何在“潮汐作用力”下解體的過程[4]。

現在讓我們跳出太陽係，離開銀河係，把目光投向更為遙遠的星空。這是哈勃太空望遠鏡拍攝的形影不離的星係對（Galaxy Pair）Mrk 1034，它們位於北方星座的三角座，是兩個非常相似的 星 係 ，編號分別是PGC 9074，9071。每個星係裏包含億萬顆星球和氣團，我們可以把每個星係看成一個實體，這兩個實體星係可看作兩個星球在對方的引力作用下相互繞轉。

注意圖G左方的 PGC 9074星係的形狀與“看潮汐奇觀，讀趣味物理”一文中圖C的“潮汐作用力”何其一致，這實質上就是PGC 9074星係中億萬顆星球和氣團作為一個整體受到鄰近星係PGC 9071的“潮汐作用力”，被前後拉伸，上下擠壓，最後成橢圓狀星係（或可稱紡錘狀星係）。

圖G

月亮的“潮汐作用力”產生了地球上海洋每日兩次的潮汐過程，星係之間的“潮汐作用力”與之類似，但常常會有更強烈的效應，其原因有兩條：首先，星係中的星球和氣團遠不如地球上的物質那樣被自身引力致密地束縛在一起，僅僅是在空曠的星係空間通過引力相互聯係，因而“潮汐作用力”的徑向分量和切向分量均無法為星係內自身引力所抵消。其次，星係並合時，彼此距離逐漸接近，星係的尺度與星係距離之比遠大於地球直徑與地月距離之比，這個比值越大，“潮汐作用力”就越強烈。

“潮汐作用力”對星係的作用力有時會變得如此強大，以至於在被作用的星係裏活生生地拉拽出長長的由氣體和星球組成的 “潮汐尾”。

圖H就是號碼為NGC 4676的雙鼠星係，它由兩個螺旋星係IC 820（左）和IC 819（右）組成。它們位於後發座，離地球約3億光年。它的名字來源於其長長的尾巴，往往也被稱為鼠尾。這長長尾巴的形成就是“潮汐作用力”結果。最有意思的是條尾巴偏偏是背向另一個星係，與人們的常識相背，卻完全與我們所分析的“潮汐作用力”相吻合。

圖H

行文至此，心中充滿了喜悅，我似乎感覺到有一隻看不見的手在無垠的太空中作畫，它畫出的“橢圓狀星係”和“潮汐尾”，仿佛就是在為我們的“潮汐作用力”作最為印象、最為直觀的背書。

我們這一路走來，從地球上的海洋潮汐說起，然後引出月球在“潮汐作用力”下的變形和“潮汐力”鎖定，再進一步討論了“潮汐作用力”引起的木衛一的火山爆發奇觀和土星美麗的光環，最後我們投向深空，用離開我們數億光年的橢圓狀星係和“潮汐尾”為我們的“潮汐作用力”作出最具體最直觀的證明。

我們討論的客體從小到大，觀察的物體有海水、岩石、星雲和氣團，視野橫跨了上億年的時空，我們竟然可以用同一個模型，同一個數學方程，來正確地解釋和描述這些千奇百怪的現象，真是不能不欽佩物理的偉大。我不知道世上是否存在普世的價值，但我清楚物理為宇宙中一切物質的運動和變化提供了普世的理論和模型，真想喊一聲人類理智萬歲！

[1]月球形成的初期是一團高速自旋的氣團，正是地球對月球的“潮汐作用力”使其自轉速度逐漸減慢，直到自轉與繞地公轉速度同步，月球永遠以相同的一麵朝向地球。應該指出的是，如果月球初始自轉速度慢於公轉速度，地球對月球的“潮汐作用力”會通過對“月球麵團”的揉搓過程來提增月球的自轉速度，直至自轉與繞地公轉速度一致，對“月球麵團”的揉搓過程停止，係統趨於平衡。

[2]當月球的自轉與月球繞地球公轉同步時，係統趨於平衡，地球的“固體潮汐作用力”對“月球麵團”的揉搓過程不再繞著月球進行，但地球的“固體潮汐作用力”依舊存在，月球的兩邊壓縮，前後伸長的變型會繼續下去。

[3]對土星光環生成的機理學術界還有爭論，但“潮汐作用力”無疑起著至關重要的影響，即使光環產生的初始階段另有其它原因，但光環中的顆粒無法聚結引成較大的衛星，完全應歸於“潮汐作用力”，它會把一切聚結而成的衛星撕裂成散片，把新生的衛星扼殺在它們的繈褓之中。

[4]法國天文學家洛希用另一種方法研究潮汐效應，他證明，任何堅固的天體，在接近另一個比它大得多的天體的時候，都會受到強大的潮汐力作用而最終被扯成碎片。這個較小的天體會被扯碎的距離稱為洛希極限，通常是大天體赤道半徑的2.44倍。這樣，土星的洛希極限就是2.44乘以它的赤道半徑60,000公裏，即146,400公裏，土星Ａ環的最外邊緣至土星中心的距離是136,500公裏，因此整個環係都處在洛希極限以內。

[5]本文的圖片A由王博士提供，其他均來自網上。

本文是“潮汐力”科普係列最後一篇，該係列到此結束。謝謝我的好友們、讀者們和科學網編輯一路的關愛和鼓勵。在此順祝諸位身體健康，中秋快樂！

據讀者反映，前文“看潮汐奇觀，讀趣味物理（續篇） ”中的有關紅色潮汐的配樂視頻播放有問題。我現在把視頻文件轉送到優酷網站，經測試效果還可以。有興趣的讀者可以點擊下麵鏈接收看。
2011年聖地亞哥海灘的發光潮汐的配樂視頻
鏈接:http://v.youku.com/v_show/id_XMTM0Mjk5OTAxMg==.html