说明：本文内容全部摘录自美国科普作家菲利普.普莱的科普书《这才是天文学》。
一、一天之中总有两次涨潮和两次落潮▼
如果每次有人问我关于潮汐的事情，我都能赚5个硬币……那我也就只会有一堆5分硬币而已。
关于潮汐，人们有很多错误的观念。任何人只要在海滩上待过一天，就会知道什么是潮汐;潮起潮落间海平面的高度落差是相当可观的。但是，潮汐现象的细节却有点让人不可思议。举例来说，一天之中，基本上有两次涨潮和两次落潮。人们总是问我关于这一现象的问题。大多数人都听说，是月球的引力导致了潮汐，所以为什么每天有两次涨潮呢?难道不应该月亮高悬时有一次涨潮，而月亮在地球另一侧时有一次落潮吗?
在当初撰写关于潮汐的网页，以及现在为本书查阅潮汐相关信息时，我都找不到任何有道理的信息来源。不同的网页和不同的书里有对于潮汐的不同解释。有些解释刚开始还挺有道理，但是随后就说了一些明显错误的话;有些解释一开始就在胡说八道，然后越说越离谱，大部分解释在这一点上接近正确答案，指出潮汐现象依赖于多种因素。更糟糕的是:我在写好本章的草稿，甚至把它提交给编辑之后才意识到我写的东西彻底错了!现在你看到的这个版本是正确的。这事也很有意思，就算那些能够正确解释清楚潮汐现象的人也很少深入讨论它。潮汐现象影响深远，不但导致了月球的自转和它围绕地球的轨道的运转同步，还引发了木卫一上的火山活动。潮汐力之巨大，甚至可以让整个星系被更大的星系撕裂成碎片。
天文学家谈论起潮汐的时候，通常指的不是海水的运动。我们用“潮汐”这个词来代指潮汐力。潮汐力是一种和重力很相似的力，事实上它和重力的确有关。我们自从人生第一次蹒跚学步起，就感受到了重力的存在。随着我们渐渐长大，对于重力的感受越发深刻。对于我来说，似乎早晨起床越来越困难，掉东西却越来越容易。有的时候我甚至在想，是不是地球对我的引力一天比一天强。
当然啦，这是不可能的。引力并不会随着时间的变化而变化。作用在某个物体上的重力只和两个因素有关:该物体的质量，以及该物体与地球的距离。
任何具有质量的物体都受到万有引力的作用。你有，我也有，行星有，一片羽毛也有。我可以微小地“报复”地球的引力，因为地球在吸引我的同时，我也在吸引地球。我对地球的吸引力当然是微乎其微，但是它的的确确存在。物体的质量越大，它产生的引力也就越大。地球的质量比我可大得太多了(差不多也就78 000 000000 000000000 000 倍吧，但是谁这么无聊真的会算啊)，所以地球对我的吸引比起我对它的吸引可强多了。如果我远离地球的话，地球对我的引力就会减弱。事实上，万有引力的衰弱和距离的平方成正比。也就是说，如果我与地球的距离变为现在的2倍，那么万有引力的衰弱则是2的平方，即2x2=4倍;如果我与地球的距离变为现在的3倍。那么万有引力的衰弱就是3x3=9倍，以此类推。
但是这并不意味着，如果爬上一个高度是我身高两倍的梯子，我感受到的重力就变成了原有的四分之一!我们测量物体与地球的距离，指的并不是物体到地表的距离，而是到地心的距离。几百年前，17世纪的哲学家和科学家牛顿用数学工具向我们展示，考虑距离时，你可以想象地球的全部质量集中在其中心的一个小点上，计算任何物体的重力时，我们用的距离就是它到地心的距离。
地球的半径大约6400千米，所以如果要让我与地球的距离翻倍，我就得坐个火箭上天:我需要到距离地表6400千米的太空中去，这个高度基本上是地球与月球距离的六十分之一。只有在那个地方，我才能感觉我的重力变成了现在的四分之一。这种减肥方式看上去还真有点儿极端哪。
因为月球比地球个头小很多，质量也轻很多，所以如果你站在月球表面，感到的重力会是你在地球上重力的六分之一。这依然是一个相当可观的拉力。当然了，因为月球离我们的距离很远，所以它对地球上的物体的引力要小很多。月球围绕地球的运行轨道平均半径为384000千米。在那个距离上，月球对我们的引力差不多是月表重力的五万分之一，所以我们根本感觉不到。
但这个引力还是存在的，万有引力从来不会彻底消失。虽然对于地球上的物体来说，月球产生的引力相当地弱，但它依然张开隐形的手，抓住我们的星球，拉扯它。
因为月球对地球的吸引力随着距离的增加而减弱，因此对地球产生了一个有意思的影响。地球上，距离月球较近的一侧感受到的月球拉力，要比距离地球较远的那一侧感受到的拉力要强。距离的差别--也就是地球的直径--导致了月球引力的差别。地球近月一侧比远月的那一侧感受到的月球引力要强大约6%，这个引力大小的区别会撕扯地球。因为地球两侧受到的月球引力有所差别，所以我们称之为重力差。
引力是一种吸引力，所以月球产生的引力总是指向月球的拉力。于是，读者们或许会认为，既然近月侧的地球感受到更强的拉力，水面或许会上涨，于是涨潮现象就发生了。而在远月一侧的地球，就会发生落潮现象，可以理解为水面被摊平了，因为虽然来自月球的引力很弱小，但是它依然是指向月球的。
但我们知道这是不对的。一天之中，总有两次涨潮和两次落潮。这也就意味着，在任何时间点，地球远月的一侧会有涨潮现象。这怎么可能呢?
二、一天之中发生两次涨潮和两次落潮的原因▼
很显然，重力差不足以解释潮汐现象。为了得到答案，我们需要再回头看看月亮。
请允许我暂时先跑个题。
几年前，我的两个好朋友本和妮姬结婚了。他们请我当时只有三岁的女儿佐伊做花童。那真是一个特别美好的婚礼，后来在招待会上我们所有人都跳起了舞。佐伊想和我一起跳舞，作为一个自豪的老爹，我怎么能拒绝呢?
于是，我牵起了她的小手，我们转着圈翩翩起舞。跳舞的时候，我不得不稍微向后仰身才能保证我们不会摔倒。在我和她转圈的时候，我还注意到了她的脚步在地板上画出的圆圈很大，而我画出的圆圈则很小。因为当时我的体重是她的五倍，所以她画出的圆圈是我的五倍大。
所以这个故事和潮汐有关系吗?太有关系了。我和佐伊的一小段舞蹈就好比是地球和月球之间探戈舞步的迷你翻版。地球和月球并没有像我们一样手拉手，但是它们彼此之间存在着引力。而就像我和佐伊一样，地球和月球也同时转着圈。
月球的质量是地球质量的八十分之一，因此月球对地球产生的作用效果是地球对月球产生的作用效果的八十分之一。就好比我的女儿在舞池里画大圈，我画小圈一样，月亮围绕着地球转大圈，地球同时也在转小圈。
这也就意味着，月球和地球实际上是围绕着两者之间的某一个点做轨道运动。可以认为，地一月系统的全部质量都集中在这一点上。这一点我们称作质心，或者严格地说，称之为质量中心。因为地球的质量是月球质量的80倍，地一月系统的质心与地球中心的距离就是其与月球中心距离的八十分之一。也就是距离地心差不多4800千米的位置，或者说，地表之下约1600千米的地方。如果从外太空观察我们的地球，你会发现它围绕着一个点做小小的轨道运动，一个月转一周，而这个点就在地表之下1600千米。换句话说，地球的质心(基本上也就是地球本身的中心)围绕地-月系统的质心做轨道运动，每个月画一个小小的圆周。
这个现象产生了非常有意思的影响。为了说明这一点，请读者们想一想身处太空站的宇航员。他们可以自由漂浮，好像不受重力作用一般。事实上，他们感受到的重力和位于地球表面的我们感受到的重力几乎一样强;毕竟，他们距离我们只有几百千米远，和地球半径的6400千米比起来算不了什么。宇航员之所以能够漂浮，是由于他们处于自由落体状态，地球对他们产生吸引力，所以他们会向地球落去。但是因为他们同时还有很高的切向速度，所以可以说他们会一直错过地球，落不到上面去。他们围绕着地球做轨道运动，该轨道的曲率和地球的曲率保持一致，因此，他们一直在做朝向地心的自由落体运动，但是与地表的距离始终没有改变。
身处太空空间站的宇航员如果称体重，体重秤显示的数字会是零，因为她正在向地心做自由落体运动。重力作用在她身上，但是她感觉不到。对于做环形轨道运动的物体来说，总是如此。
但是请记住，地球的中心也在围绕着地--月系统的质心做轨道运动。所以，虽然地球的中心受到来自月球的引力的影响，但是如果有人站在地球的中心，他将感受不到这种重力。他会处于自由落体的状态!
但是，月亮当空时，地表之上的人是可以感受到来自月球的牵引力的。而站在地球的背月一侧的人同样也可以感觉到这种力，只不过力的作用更加微弱。但是，既然在地球的中心时对于月球的引力感知为零，我们可以以地心为参照物来测量月球引力。地球近月侧的人会感到来自月球的这个引力是指向月球的，而位于地心的人不会感觉到任何引力(记住，此时人处于自由落体状态)。但是，位于地球远月一侧的人，感受到的指向月球的引力比位于地心的人要少。可是，比零还小的力是什么力呢?是一个负值的力;换句话说，是相反方向上的力，这个力指向远离月球的方向。
在重力的某种作用下，某物可以感觉到与重力方向相反方向上的力量--这看上去是一个充满矛盾的结论，但是在这种情况下，是因为我们是以地心为参照点来衡量万有引力的。这样做，使得我们在地球的远月一侧的的确确得到了一个远离月球方向的力。
作用在地球上的、来自月球的引力永远是“指向”月球的。该力随着距离的增加而减弱，因此地球在近月侧受到的引力，比在远月侧受到的引力要强。如果我们以地心作为参照点，地球远离月球的一侧实际上感受到一个远离月球方向的月球引力，而在靠近月球的一侧，月球引力依然是指向月球的。这一结果让地球在两侧都被撕扯，导致了地球上一日两次的潮汐现象。▼
这就是为什么地球上会有一日两次涨潮的原因。在地球的近月侧有一个指向月球的净力，在地球的远月侧有一个背离月球的净力。地球上的水受到这些力的影响，在地球的两面同时引发了涨潮。在这两次涨潮中间是退潮，退潮当然也有两次。当地球上的一点转到潮汐隆起(亦称潮汐波、隆堆)发生处，水面上升。几个小时之后，当地球自转过了四分之一的周长，该点则位于退潮位置，水面下降。再转过四分之一个周长，又一次涨潮来临。周而复始，涨潮与退潮间或交替，大约6小时改变一次。
但是，事实上这个周期并不是精确地以6小时为界。如果能够让月球静止不动，我们的确会感受到一日两次的潮汐，每隔12小时一次。但是，正如我们在上一章中所看到的，月出的时间每天都会比之前一天晚一个小时，因为地球在自转的同时，月球也在围绕地球运转。月球时刻围绕地球运动，我们也不得不每天多旋转一点来追赶上它。所以对地球上的我们来说，两次月出之间的时间间隔不是一天的24个小时，而是大约25个小时这也就意味着，两次涨潮之间的间隔时间要更长一些，是25小时的一半，也就是12.5个小时。因此，每天的涨潮落潮时间都不一样，每天大约相差半个小时。
说句题外话:大多数人都觉得，只有水才会受到潮汐力的影响。这是不对的，其实地面也会受到潮汐力的影响。我们坚实的地表其实并没有那么坚实，而是可以弯曲变形的(问问那些经历过地震的人就知道了)。来自月球的潮汐力事实上也作用于地表，每天都使得地球表面上下浮动约30厘米。你并不会感受到这一点，因为它发生得很慢，但是的的确确发生了。潮汐力的作用甚至也影响了大气。空气的流动比水更容易，因此大气受到潮汐力的影响所做的运动更剧烈。所以，如果下次有人问你地有没有在晃动，你就告诉他晃了，大概动了三分之一米。
顺带一提，还有另外一个关于潮汐普遍存在的误解。有些人认为，潮汐会直接影响人体。我经常听到这样一个观点，说人体大部分是由水构成的，而水对于潮汐力是有反应的。但是我们可以看出这个想法其实有点儿蠢。首先，空气和固态的大地也受到潮汐力的影响。但更重要的是，人类个头太小了，我们受到的潮汐力根本不可能被感知和注意到。地球会受到潮汐力的影响，因为它个头很大，直径好几千千米。在这种情况下，来自月球的引力就可能在地球的两侧产生不同的数值。哪怕一个人两米高，从头到脚能够感受到的引力差别最大也不过0.000 004%。而作用在地球两侧的潮汐力比作用在人身上的潮汐力要强超过100万倍，因此，显然作用在人身上的潮汐力实在太小，可以忽略不计。事实上，和人体处于站立姿态时受到的自然压力比起来，潮汐力真是不值一提。你受到重力压缩的程度要远远超过你被潮汐力拉伸的程度。甚至大湖也几乎感受不到潮汐，就比如五大湖吧，它们在“涨潮”和“落潮”之间，湖面只有 4~5厘米的高度差。对于更小的湖泊来说，这个差值就更小了。
三、太阳对地球潮汐的影响▼
虽然前文内容已经显得很复杂，神奇的是，我们还没讨论完全部。月球在潮汐产生中只起了一半作用。呃，实际上是三分之二的作用，另外分之一则来自太阳。
太阳的质量比月球大太多倍了，所以太阳的引力作用也比月球的要强很多倍。然而，太阳与我们的距离也比月球与我们的距离要远得多。地球围绕着太阳旋转，就像月球围绕着地球旋转一样，所以原理也都是一样的。地球感受到了一个朝向太阳的引力，同时也感受到一个向心力。如果读者们动笔算一算，会发现来自太阳的潮汐力差不多是来自月球的潮汐力的一半。在潮汐力的游戏中，质量很重要，但是距离更重要。距离我们更近的、质量更轻的月球对地球所产生的潮汐力，要比距离我们更远的、质量更重的太阳所产生的潮汐力大。在作用于地球全部的潮汐力当中，有三分之二来自月球，三分之一来自太阳。
地球始终处于一场复杂的、同时与月球和太阳三者之间发生的拔河游戏当中。有的时候，来自太阳和月球的引力位于同一条直线上。如同我们在上一章讲“月相”时提到的，月亮在太阳附近时，就是新月;位于地球另一侧时，则是满月。无论是新月还是满月，来自月球的潮汐力和来自太阳的潮汐力都在同一条直线上(因为，不要忘了，涨潮现象同时发生在地球的两侧，所以跟你在地球的哪一侧并没有什么关系)，我们这时会看到很高的涨潮。同时，这也意味着落潮幅度更大，我们会看到更低的退潮。它们被统称为大潮。
太阳和月亮在天空中呈90°角时，对地球的作用力彼此抵消了一部分，于是我们看到了不太高的涨潮和不太低的退潮(好比更低的涨潮和更高的退潮)。它们被统称为小潮。
更麻烦的是，因为月球围绕地球运转的轨道是一个椭圆形，所以有的时候月球与我们之间的距离比其他时候更近，因此月球的潮汐力也就比其他时候更强。地球围绕着太阳运转的轨道也是一个椭圆形，所以当我们"离太阳最近的时候(每年1月左右)，也会得到更加夸张的大潮。如果这两个事件--月球位于近地点，地球位于近日点--同时发生，我们就会得到有史以来最强的大潮。当然，这个超级“大潮”也没有大得太出格，只是比平时增强了几个百分点而已。但是读者们可以看到，潮汐现象是很复杂的，潮汐力也始终处于变化之中。
四、潮汐效应对地球和月球自转的影响▼
然而，我们还不能就此结束。还有另外一个现象更加微妙，但是影响却颇为深远。
正如我前面提到的，地球围绕着地轴自转，而月球围绕着地球运转。在潮汐力对海水的作用起效迅速，在月球之下和地球的另一侧，海面都高高隆起。然而，地球始终是在自转的，自转速度(每天一圈)要比月球围绕地球运转(每月一圈)的速度快。地球上的海平面在月球之下隆起，却在地球自转的影响下向“前方”涌去，总是在月球正下方的前面一点点的位置。称为潮汐隆起(潮汐波、隆堆)的海水“堆”并不直接指向月球，却总是指向月球前方一点的地方。
所以想象一下这个画面:潮汐隆起的顶点实际上落在地-月中心两点规定的直线之外，稍微“靠前”一些。这个隆起具有质量--质量并不大，但还是有质量。因为它有质量，就有引力，于是对月球产生了拉力。这个拉力让月球沿着它的运行轨道做向前加速的运动。这个拉力的效果好像一只小火箭，推着月球加速前进。你推一个正在做圆周运动的物体前进，会让它进入更高的运行轨道，也就是说，它的轨道半径会增加。因此，随着地球的潮汐隆起拉着月球向前运动，月球与地球的距离也越来越远。人们已经精确地计算出了这一现象的数据。月球与地球的距离要比一年前增加了大概4厘米。一年之后，这个距离将再增加 4厘米，年复一年。
地球的自转(每天一周)比月球围绕地球运转(每月一周)的速度更快。地球上，由月球引起的潮汐隆起受到地球自转的影响，位于月球运行方向的前面。反过来，这个潮汐隆起也作用月球之上，使得月球围绕地球旋转的速度更快，导致月球以每年4厘米的速度离地球而去。同时，地球的自转也因此减慢了▼
当然，月球对于潮汐隆起也有拉力。如果说隆起位于月球的前方，那也就是说，月球位于隆起的后方(相对于地球的自转方向来说)。这意味着，月球对于隆起的拉力是向后的，使其减速。因为隆起与地球其余部分的摩擦，月球对于隆起的减速作用实际上也在为地球的自转减速!这使得我们的一天正变得越来越长。同样，这种变化极其微小，但是可以被测量出来。
除了月相变化之外，月亮最显著的特征是它面对我们的一面是永远不变的(详情参见第3章) 这是因为月球围绕月轴自转的周期与月球围绕地球运转的周期时间是一致的。这个时间看上去似乎是一个神奇的巧合。但其实并不是。这是由潮汐力引起的。
无论何时，月球的引力都作用于地球之上，引发潮汐，而地球对于月球也有同样的潮汐作用。但是，地球对月球的潮汐力是月球对地球的潮汐力的80倍，因为地球的质量是月球质量的80倍。地球上的各种潮汐力作用也存在于月球上，但效果更快、更强。
地球在月球上施加了一个巨大的潮汐力，撕扯月球。在月球上有两个潮汐隆起，就在其坚硬的岩石之上发生。月球刚刚形成时，与地球的距离比现在更近，自转的速度也更快。由于地球对月球的潮汐力作用而形成的潮汐隆起使得月球的自转速度开始减慢，好比地球的潮汐隆起一样。因为月球渐渐远离地球，同时它的自转也在变慢，直到月球的自转周期和它围绕地球的运转周期时间一致(换句话说，月球上的一天相当于地球的一个月)。这个时候，月球的潮汐隆起和地球恰好在一条直线上，月球的自转周期也变得稳定下来;也就是说月球的自转不再减速了。
这就是月球面向地球的一面总是固定不变的原因。月球在自转，然而这一切都是潮汐力“力求”而来的。这不是巧合，这是科学!
请同样记住地球的自转正在减速。就像月球在极久以前经历的那样，最终地球的自转会慢到一个程度，使得地球上的潮汐隆起恰好位于地球和月球的中点定义的直线之上。到了那个时候，月球对于地球的潮汐隆起将不再起向后拉的作用，地球的自转也将不再减速。彼时，地球上的一天将会变得有一个月那么长(与此同时，因为月球与地球的距离增加，意味着“一个月”的时间也会变得更长，大约40天)。在那个遥远的未来，如果站在月球上望向地球，你将看到的是永远不变的地球一面，就像我们现在在地球上会看见永远不变的月球一面一样。
这种因为受到潮汐力作用而产生的变化被称为潮汐演变，对地球和月球都产生了深远的影响。地球和月球都还年轻时，彼此之间的距离更近自转速度都比现在更快。然而经过数十亿年的相互作用，形势发生了巨大的变化。
一旦地球的自转和月球同步，地-月系统的潮汐演变就不复存在。然而，那时来自太阳的潮汐力依然还会存在。它也会影响地-月系统，但等到这情况发生之时，太阳早已开始向红巨星转化了，地球和月球都会直接被烧成灰烬。那时，我们要面临的麻烦可比潮汐力什么的严重得多了。
五、潮汐力对其它星系的影响▼
当然了，我们的地球并不是唯一有卫星的行星。以木星为例，它有好几十颗卫星。木星作用在它的卫星之上的潮汐力大得令人毛骨悚然，因为木星的质量是地球的超过300倍。小小的木卫一围绕着木星做轨道运动，与木星中心的距离和月球与地球中心的距离一样。于是，它受到的潮汐力是月球受到地球潮汐力的300倍。木卫一同样也被木星潮汐锁定了，这意味着它每绕木星运转一周的同时自转一周。如果能够站在木星表面观察木卫一，你总是会看到它固定的一面。
但是木星有好多好多卫星，其中的一些个头还不小。以木卫三为例，它的个头居然比水星都大!所有这些卫星之间也有彼此作用的潮汐力。当一颗卫星从另一颗卫星身旁经过的时候，引力差对它们的挤压和拉伸使两者都产生形变。
你有没有玩过金属衣架，将它快速地折来折去?金属会升温，甚至可能会烫伤你。木星的卫星产生形变时，也会发生同样的现象。压力的变化会导致卫星内部的升温，这种现象甚至使得木卫一的内部热到融化。和地球一样，木卫一内部的熔岩会突破地表喷发而出，形成巨大的火山。1979年，“旅行者”一号探测器掠过这颗表面疮痍的卫星时首次发现了火山的存在。从那以后，更多的火山被发现，这颗可怜的卫星上似乎总是有火山在不断喷发。
潮汐引发的摩擦阻力同样会使其他的卫星升温。木卫二显示出在它冰冻的表面之下存在液态海洋的证据，液态水很有可能是在木卫二身边经过的卫星的潮汐力产生的热量而导致的。
如果我们将视线放得更远一些，会看到更多的潮汐力现象。有的时候，宇宙中的两颗恒星会围绕着彼此旋转，形成联星。如果这两颗恒星距离非常近，在潮汐力的作用下，它们会变成卵形。如果靠得再近一些，它们之间甚至会发生物质交换，气体会从一颗恒星流向另一颗恒星。这会改变恒星的演化过程，影响它们的衰老。有的时候，如果联星中的一颗是个头小而密度大的白矮星，来自另外一颗正常恒星的气流会包裹在这颗白矮星的表面之上。当聚拢在白矮星表面的气体足够多的时候，它会突然发生一个宇宙级别的核爆炸。这个爆炸力量之大，可以将白矮星撕成碎片，制造出一颗硕大的超新星，这颗超新星每秒钟释放的能量可以等于我们的太阳一生所释放的能量总和。
我们还可以再踏出更大的一步，采取极为宏观的视角。星系整体也受潮汐力的影响。星系是由数十亿颗恒星通过万有引力聚集在一起形成的庞大集合，有时也会和其他星系擦肩而过。一个路过的星系作用在另一个星系上的引力差不仅可以挤压、扭曲整个星系，甚至可以把这个星系撕碎。有的时候，和联星系统一样，质量更大的那个星系从质量较小的星系那里攫取大量物质--恒星、气体和星际尘埃，这一现象被称为星系吞食。这在宇宙中并不是什么罕见的现象。有证据表明，我们的银河系之前就干过这种事。事实上，我们此时此刻正与一个名为人马座矮椭球星系的小型星系发生碰撞。该星系在银河系的中心区域附近穿银河系而过，在这个过程中。它的恒星被我们所在的规模更大、质量更重的银河系所吸纳。
所以，下次去海边的时候，花一点儿时间思考你面前发生的事吧。潮汐力的作用不仅仅让海水起起伏伏，还延长了我们一天的时间，把月球越推越远，制造火山，吞噬恒星，凶猛地撕裂整个星系。当然了，由于潮汐力的存在，我们也更容易在海岸线上找到美丽的贝壳。有的时候，把宇宙当成一个整体来思考，确实很刺激，但其他时候单纯踩湿沙子玩也挺好。
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