月全食后，谈谈关于月亮你可能不知道的几件事

2021年5月26日的日全食很漂亮。相信很多朋友都看到美丽的月全食。由于所在的地方的云层的原因，笔者只看到月食的后四分之一。用手机拍了一张。相信很多读者拍的照片比笔者要好的多。祝贺你。

图1 笔者手机拍的月全食将近结束的时候

笔者想借着月全食的话题，讲几个关于月亮的事情。 这些事你或许已经知道了，但也许你不知道。

我们永远只看到月亮的一面

月亮绕着地球做公转，同时它又在自转。有趣的是，不论月亮如何转，我们始终只能看到月亮的同一面

图2 月球的不同月相，我们看到的是月球的同一面

上图是一张月亮月盈月亏的不同月相。仔细比较一下月亮上的图案，尽管月相不同，但看到的其实是月亮的同一面。这就如同，一个朝夕相处的家人，我们只能看到她(他)的脸，但从来都看不到后脑勺。有时他（她）会戴上帽子，戴上口罩，但就是不让你看到后脑勺。

只所以我们只看到一面，是因为月球的自转速率不多不少，正好抵消了它的公转带来的角度的变化。月球的自转和公转周期是一样的，都是27.3天。我们称这种自转和公转周期一样的现象为同步自转（synchronous rotation）。 下面这个图直观地说明了月球的自转和公转的相对关系。设想在月球上放个小人的话，这个小人在月球上公转一周时，始终是对着地球的。

图3 演示月球的同步自转

月球的另一面是什么样子？

如果我们只看到月亮的一面（学术上称近地面），那么月亮的另外一面（远地面）长的是什么样呢？千百年来，这一直是个谜。直到1959年10月7日前苏联的飞船Luna-3送回月球远地面的第一张照片。那才第一次揭开了月球另一面的神秘的面纱。（顺便说一句，在五十年代，前苏联的航天事业是领先于美国的。）

下图是月球的我们天天看到的正面和难得看到的反面的比较。月球反面疙疙瘩瘩，坑坑洼洼的，远不如正面漂亮。

图4 月球的近地面和远地面

月球的同步自转是怎么形成的？

这种公转周期和自转周期相同的同步自转现象并不是月球所独有的。 太阳系里大的行星的卫星（它们的月亮）都在做同步自转。最初，月球的旋转和公转周期可能是不一样的。随着时间的推移，自转周期慢慢和公转周期同步，形成了我们看到的同步自转。 要解释这个现象就要谈到一个叫潮汐锁定（Tidal Locking）的现象。大家都熟悉大海的潮汐现象。 月球对地球的万有引力会把地球拉长。当然这种拉长对于地球的尺度而言是微小的。但正是这种微小的变形，形成了地球上潮汐。同样，地球对月球的引力也会把月球在和地球连线的方向拉长。

图5 如果月亮自转过快，引力成为减慢旋转的力

在图5中，蓝色的球体是地球。黑色椭圆球体是月球。为了演示，我们过分地夸大了椭圆度。在这个图里所示，月球的自转快于公转，椭圆突出的部分就会超过地球月球连线，这时地球引力就会对地球施加制动力使月球旋转变慢

图6 如果月球旋转过慢，引力就会成为加速旋转的力

相反,如果月球自转慢于公转（如图6），椭圆突出部分，就落后于地球月球连线，这时地球引力施加了加速月球旋转的力。不管初始情况是自转慢于公转还是自转快于公转，万有引力都会让自转和公转同步，形成所谓同步自转。

月亮上那些黑块是什么？

当你看到月亮的照片时，你一定会注意到月亮近地面上的大面积的黑块。古代天文学家把这些区域叫做“海”（拉丁语里的“Maria”）。当时人们认为月球上是有和地球一样的海洋的。

后来科学家发现这些“海”其实是月球岩浆。当月球古代火山爆发或者大型流星撞击月球时，月球内部岩浆流到表面。由于流体总是向低的地方流，所以这些黑海是月球表面比较低的地方。 这种岩浆是富铁岩石，光反射率没有高原处好，所以呈暗色状态。

图7 月球表面的岩浆

月亮的近地面（Near Side） 和远地面(Far Side)为什么差别这么大？

如果你比较近月亮的近地面和远地面的照片，你很难相信这是来自同一个天体。远地面上有密密麻麻的陨石坑，只有少量的“黑海“ （3%）。而近地面有大量的“黑海”（32%）。 不仅有这些表面上的不同，一个内在的不同是远地面的月壳的厚度是近地面的月壳厚度的两倍。

是什么原因让同一个天体的两面差别如此之大呢？这是至今仍然让天文学家困惑的事情。

一种理论是说以前有两个轨道类似的月亮围绕地球。后来两个月球发生碰撞，形成了一个月球。

近几年（2019年），科学家又提出一个新的理论。在太阳系形成的早期，一个大约是月亮直径1/3的小行星撞击了月球的近地面。击穿了月球月壳。大量岩浆流到月球表面。撞击而产生的碎片撒落到月球远地面的表面，使那里月壳变厚。这同时也解释了为什么在地球上曾经发现过月球的古老岩石。

小行星撞击月球的艺术想象图

这些理论可以解释一部分观测到的事实。但需要进步的工作来验证。我之所以把一个没有定论的月球现象放在这里，是希望读者们对自然保持着好奇心。我们已经懂了很多东西，但还有很多我们不懂的东西，等待我们去发现，理解和利用。

最后我想用我最喜欢的英国摇滚乐队的平克·弗洛伊德（Pink Floyd）的名曲《月之暗面》（The Dark Side of the Moon）作为文章的结束。但我没发现如何在文章里分享音乐。观众们自己找来听听吧。