月球既有公轉也有自轉,由于二者周期相等,因此處于地球的我們僅能看到月球的一面,而造成這種現象的原因就是潮汐鎖定。那麼潮汐鎖定是如何讓一顆星球做到主動剎車呢?
我們知道月球之所以可以圍繞著地球運作是因為萬有引力在提供向心力,通常在分析兩個物體之間的引力作用時我們會把兩個物體看做點處理,但在實際情況下這并不合理,因為不管是地球還是月球,其內部的質量分布以及整個星體的形狀都不是均勻的,這就導致地球對月球不同位置的引力是不一樣的,相對于月表其他位置引力較大的位置總有朝向地球的趨勢,而這種引力差異久而久之則會減慢月球的自轉速度,直至這個地方永遠的朝向地球。
同樣的道理,地球也會受到月球以及太陽產生的潮汐力影響。科學家分析認為,地球在誕生之初其自轉周期可能僅為2.5小時,因為潮汐力以及地球自身空氣海洋的粘滯作用,地球的自轉周期一直衰減倒現在的24小時。
在遙遠的未來,地球會被潮汐鎖定嗎?相似的道理,太陽系內運行的行星必然會受到來自太陽的潮汐力影響,只要存在這種力,那麼地球就會有自轉減慢的趨勢,因此被潮汐鎖定只是時間問題。科學家估計地球和太陽處于潮汐鎖定狀態可能要到數百億年之后,如果考慮到五十億年之后太陽的紅巨星狀態,那麼這種鎖定可能五十億年就能完成。
和太陽相比,其實月球對地球施加的潮汐力更大。科學研究認為,在潮汐鎖定系統中,引潮力與引潮天體的質量成正比,但是卻和該天體到地球的距離的立方成反比。因此雖然太陽和地球之間的引力更大,但是地月距離在潮汐鎖定系統中的影響更勝一籌,科學家估計月球的引潮力比太陽的引潮力要高兩倍以上,在地球上,來自月球的引潮力除了引發海洋潮汐的變化,還會使地球巖石圈產生60厘米左右的起伏變化。在太陽系中,水星是距離太陽最近的行星,太陽對其產生的引潮力比地月之間的引潮力要高17倍左右,目前水星在公轉兩周的同時也會自轉三周,即水星處于「三分之二鎖定」狀態。
對于潮汐鎖定狀態的天體系統,我們通常會認為質量較小的天體圍繞質量較大的天體運轉,其實不然,以月亮為例,月亮并非圍繞地球的核心旋轉,而是圍繞地球和月亮的公共質心在旋轉。
這種情況在冥王星和它的衛星卡戎的運行中非常明顯,二者目前處于「四目相對」的完美鎖定狀態。
如果地球和太陽處于鎖定狀態,那麼地球其中的一面將永遠朝向太陽,而另一面則永遠也不會迎來太陽的升起。其中向陽面因為永遠面對太陽的炙烤,其溫度將高達數百度,而背陽面則因為陷入無盡的黑暗,其溫度將低至零下一百度以下。處于鎖定狀態的地球,其自身磁場、洋流、大氣循環等都會遭到重大影響。當然,這種狀態需要幾十億年的緩慢變化,這也為地球的生命保留了進化的時間。