月亮為什麼總是同一面
朝著我們？
不論在世界哪個角落、不論什麼時代，看到的月亮花紋都一樣。人類幾十萬年來，從未看過月球的背面。這不是碰巧發生的。是地球花了很長的時間，替月球的自轉踩下煞車的結果。而且現在，月球也正對地球踩下同樣的煞車。
月亮上有兔子的花紋。那個花紋不論何時看起來都是同一個方向。今晚也好、下個月也好、10年後也好，甚至1000年前的人看到的月亮也一樣。
這其實是件非常不可思議的事。如果月球繞著地球轉，照理說應該能看到各種不同的面才對。拿一顆球繞著自己轉一圈試試看。只要不轉動球本身，繞一圈的過程中，球的每一面都會朝向你。
月亮總是同一面朝著我們，代表它一邊公轉，一邊配合得恰到好處地自轉。繞一圈的同時，剛好也自轉了一圈。
這麼剛好的一致，會是偶然發生的嗎？
月球靠近地球的一側和遠離的一側，受到的引力強度不同。這個差異，讓月球稍微像橄欖球一樣被拉長。
當月球自轉時，那道凸起會偏離地球的方向。於是地球的重力會試圖把它拉回來，這就對自轉形成了煞車。
煞車會一直作用，直到凸起不再偏移為止。不再偏移的狀態，就是「總是同一面朝著我們」。而停在這個狀態的，就是現在的月球。
月球為什麼會變細長
重力是距離越近作用越強。月球「靠近地球的一側」和「遠離的一側」，受到的引力強度不同。
靠近的一側被強力拉向地球，遠離的一側因為引力較弱而被留在後面。結果，月球就沿著連接地球與月球的直線方向，稍微被拉長。
這個拉長的幅度非常小，不至於讓月球損壞。但是，「產生一個有方向性的凸起」這一點才是關鍵。既然有凸起存在，只要它沒有朝向地球，就會產生把它拉回來的力。
地球上也發生著同樣的事，我們每天看到的潮汐就是如此。海水被月球吸引而隆起，就是這麼回事。只不過月球的情況是連岩石本身都稍微變形了。
其他所有的狀態，都被煞車削掉了。
「月球背面很黑」是錯的
有時候會看到「月球的暗面（dark side）」這種說法，但這是錯誤的。背面只是「看不見的一面」，並不是黑暗的一面。
月球也有白天和黑夜。從月球上看，太陽一樣會升起、落下。背面同樣會被陽光照到。甚至在新月的時候，從地球看不見的背面正好是正午。
背面「看不見」只是相對於地球而言，跟太陽沒有關係。把這兩者搞混，就是這個誤解的根源。
人類第一次看到月球背面，是1959年前蘇聯探測器拍攝的照片。在那之前，沒有任何人看過。看到照片的研究人員都很驚訝，因為背面和正面完全不同。正面那片廣大的黑色「月海」，在背面幾乎看不到。
雖說是「總是同一面」，但嚴格來說並不是剛好一半。長時間觀察的話，從地球可以看到大約59%的月面。
原因是月球的軌道並非正圓。靠近地球時公轉較快，遠離時較慢。然而自轉的速度是固定的。於是公轉和自轉之間就會產生微小的偏差，讓月球看起來像在搖頭。這個現象稱為天平動（libration）。
仔細觀察月亮，會發現邊緣附近每個月都會稍微忽隱忽現。只要有望遠鏡，在家就能確認這個現象。
現在，月球正對地球踩煞車
接下來才是有趣的地方。力必定是雙向作用的。如果地球讓月球的自轉停了下來，那麼月球應該也對地球做著同樣的事。
事實正是如此。月球的重力讓海水隆起，而這道凸起會因地球的自轉被稍微往前帶。月球會試圖把它拉回來，對地球的自轉踩下煞車。
結果，一天的長度正在一點一點變長。這個變化率大約是每100年增加1.7毫秒。雖然數值非常小，但累積起來就不容忽視。
- 據估計，恐龍生存時代的一天大約只有23個半小時
- 更久遠時代的化石中，據信留有一年天數比現在更多的痕跡。數一數珊瑚的生長紋，可以推知當時一年將近有400天
- 需要加入閏秒，原因之一也是這個效應
而地球損失的自轉動量並沒有消失，而是轉移給了月球。因此月球正一點一點遠離地球，實測顯示每年大約遠離3.8公分。這是利用阿波羅計畫等在月面放置的反射鏡，持續以雷射測距所得到的成果。
- 日全食總有一天會看不到。現在太陽和月亮在天空中看起來幾乎一樣大，只是巧合。月球一旦遠離，看起來就會變小，將無法完全遮住太陽。我們恰好活在一個好時代
- 太陽系裡許多大型衛星都是同樣的狀態。木星、土星的主要衛星，也都是同一面朝向行星。這是同樣的機制在各處發揮作用的結果
- 冥王星和它的衛星則是互相朝向對方。由於兩者大小相近，雙方都完全被煞停，變成彼此只用同一面互相對望的狀態
- 水星則是以稍微不同的方式穩定下來。它公轉太陽兩圈的期間會自轉三圈，形成這樣的比例。在橢圓軌道下，這樣的狀態也可能是穩定的
在家就能確認的事
- 拿一顆球，或畫了臉的紙杯，這就是月球
- 伸直手臂，讓「臉」一直朝向自己，繞著自己轉一圈
- 這時請看看房間的牆壁。繞一圈的過程中，「月球」朝向了牆壁的每個方向，也就是自轉了一圈
- 接著，讓「月球」相對房間的方向保持固定（不自轉）繞一圈。這次從你的角度看，會看到「月球」的每一面
「一直朝著同一面」跟「有在自轉」，不但不矛盾，其實是同一件事。常有人誤以為月球沒有自轉，但事實上它以和公轉相同的速度確實地在自轉。親自動手做一次，最能體會這個道理。
總結
月亮總是同一面朝著我們，是因為地球的重力讓月球稍微變得細長，並不斷把凸起的偏移拉回來。其他的自轉方式都被煞車削掉了，只留下不再產生偏移的狀態。而現在，同樣的事情正在地球這一側進行中。
我們看到的月亮，是歷經數十億年拔河的結果。
而這場拔河，至今仍未結束。
這股「拉長的力量」，在地球的海洋中每天引發的就是潮汐。滿潮為什麼一天有兩次，我們在這篇文章中有說明。至於拔河的對手到底有多遠，可以在月亮到底有多遠？中確認。
想知道更多的人看這裡 ― 用語、公式與教科書的關聯從國中理科到研究中的議題，都會明確標示屬於哪個程度
- 國中國中理科會學到的範圍
- 高中高中「物理基礎」「地學基礎」會學到的範圍
- 高中＋高中「物理」，或教科書中屬於進階、專欄的內容
- 大學高中不會教、屬於大學專業科目（天體力學）的內容
- 研究連大學都不會當作「定論」教授、屬於研究人員目前正在調查中的議題
國中用語：關於月球的詞彙
- 自轉與公轉：自轉是自己轉動，公轉是繞著對方轉動。月球兩者都約為27.3天，兩者一致正是本文的主題。
- 潮汐鎖定／同步自轉：自轉週期與公轉週期一致的狀態。英文稱為 tidal locking。
- 潮汐力：因天體各處受到的重力強度不同而產生、把物體拉長的力。也是潮汐現象的成因。
- 天平動：月球看起來稍微搖頭般擺動的現象。多虧了它，我們才能觀察到約59%的月面。
- 朔望月：月相盈缺的週期，約29.5天。之所以和公轉週期（約27.3天）不同，是因為這段期間地球也繞著太陽前進了。
高中用公式驗證：太陽比月球重，卻在潮汐上輸了
引發潮汐的主要天體是月球，不是太陽。明明太陽重得多，卻是如此。之所以會逆轉，只要做兩次除法就能說明。
引力本身：F ∝ M ÷ r²
引發潮汐的力：F ∝ M ÷ r³
| M 對方的質量 | 越重越強 |
| r 距離 | 越遠越弱 |
| 平方與立方的差異 | 這就是決定一切的關鍵 |
為什麼只有潮汐是立方？因為引發潮汐的並非引力本身，而是「地球近側與遠側引力相差多少」。取差值之後，距離的影響就會更劇烈一階。
對方越遠，地球近側與遠側的差異就越小。「整體拉得強」和「拉力有落差」是不同的兩回事。
| 太陽是月球質量的幾倍 | 約 27000000 倍 |
| 太陽比月球遠幾倍 | 約 390 倍 |
| 距離的平方 | 390 × 390 ＝ 152100 |
| 引力之比 | 27000000 ÷ 152100 ≒ 178 倍 |
太陽拉地球的力，大約是月球的180倍。差距懸殊。畢竟地球是繞著太陽轉，這也是理所當然的。
| 距離的立方 | 390 × 390 × 390 ＝ 59319000 |
| 潮汐力之比 | 27000000 ÷ 59319000 ≒ 0.46 倍 |
逆轉了。太陽的潮汐力連月球的一半都不到。
引力上贏了178倍，潮汐上卻以0.46倍輸掉。改變的只有「把平方換成立方」這一點。只是多除了一次390，178就變成了0.46。
「誰比較強」，會因為問的是哪種強弱而改變。我認為這是本文最有趣的地方。
太陽並不是弱到可以忽略。大概有月球的一半強。所以，月球與太陽的方向是否一致，會讓潮汐的大小產生變化。
| 月球與太陽成一直線（新月、滿月） | 1 ＋ 0.46 ＝ 1.46（大潮） |
| 月球與太陽成直角（上弦、下弦） | 1 − 0.46 ＝ 0.54（小潮） |
| 大潮是小潮的幾倍 | 1.46 ÷ 0.54 ≒ 2.7 倍 |
大潮和小潮的潮汐幅度，相差將近3倍。看潮汐表就能發現實際上確實有很大的差異。
而且大潮出現在新月和滿月，也正如這個計算所示。看月亮的形狀，就能知道今天是哪一種潮汐。曆法與潮汐相連，並非偶然。
潮汐讓地球的自轉稍微變慢，也因此把月球往外推。觀測顯示每年約3.8公分。
| 10億年間 | 3.8 × 1000000000 ＝ 3800000000 cm |
| 換算成公里 | 3800000000 ÷ 100000 ＝ 38000 km |
| 目前的距離 | 約 380000 km |
| 佔目前距離的比例 | 38000 ÷ 380000 ＝ 0.1（一成） |
每年3.8公分這種幾乎測不出來的變化，10億年後就會累積成距離的一成。反過來推算，過去的月球應該更近、潮汐更大、一天也更短。
※ 遠離的速度並非固定不變，一般認為越往過去回推，就越偏離單純的乘法。這是為了掌握數量級所做的計算。
高中為什麼「差值」才是關鍵
萬有引力與距離的平方成反比。F = G M m / r²。月球近側和遠側的 r 不同，受到的力自然也不同。
重要的不是力本身，而是力的差值。整個月球以相同的方式加速下落，所以共通的部分感受不到。剩下的只有各處的差異，正是這個差異把月球拉長。
| 到月球的距離 | 約 38萬 km |
| 月球的自轉週期、公轉週期 | 皆約 27.3 天 |
| 從地球能看到的月面比例 | 約 59% |
| 月球遠離的速度 | 每年約 3.8 cm（雷射測距的實測值） |
| 一天變長的比例 | 每100年約 1.7 毫秒 |
※ 數值為代表性的參考值。一天長度的變化，也包含地球內部與冰蓋的影響。
高中＋潮汐力與距離的立方成反比
計算近側與遠側引力的差值，可以知道潮汐力與距離的立方成反比。F潮汐 ∝ G M R / r³（R 為月球半徑，r 為距離）。
比起一般的重力（與平方成反比），距離的影響要陡峭得多。所以遠方天體的潮汐力，相對於其引力而言幾乎可以忽略。太陽雖然遠比月球重，但對地球潮汐的影響只有月球的一半左右，原因就在於這個立方關係。
另外，如果靠得太近，天體會被扯碎。潮汐力超過天體自身重力的距離稱為洛希極限，土星環就位在這個界線之內。
煞車的真面目其實是力矩（讓物體轉動的力）。凸起一旦偏離地球方向，地球的引力就會對月球施加讓自轉停止方向的力矩。偏移歸零時力矩也歸零，那就是穩定點。
大學動量去了哪裡？― 角動量
地球自轉變慢時，失去的轉動動量（角動量）並沒有消失，在地球與月球合起來的整個系統中是守恆的。
從地球自轉中取出的角動量，會轉移到月球的公轉上。公轉的角動量增加，軌道就會變大，月球因而遠離。這就是每年3.8公分後退現象的真相。
之所以會產生煞車，是因為地球並不是完全的彈性體。海水有黏滯性，加上地形的因素，潮汐的隆起並不會剛好落在月球的正下方，而是會因自轉被稍微帶往前方。這個角度上的偏差，就產生了力矩。如果沒有摩擦（能量耗散），就不會發生潮汐鎖定。
順帶一提，一般認為現今地球的潮汐能量耗散，主要來自淺海與大陸棚的摩擦。大陸的位置一旦改變，月球遠離的速度也會跟著改變。
研究尚未解開的謎題
- 月球正面與背面為什麼差異這麼大，目前尚未查明。正面有廣大的「月海」（由熔岩形成的黑暗平原），背面卻幾乎沒有。地殼的厚度也不同。有人提出曾有另一顆較小的衛星以低速撞擊並合併的說法，也有人提出因地球熱輻射而讓正面地殼變薄的說法，但都尚無定論。這被認為是月球最大的謎題之一。
- 月球是何時、如何形成的，也尚未完全定論。目前最有力的說法是一顆火星大小的天體撞擊了地球，但仍留下一個大問題：月球與地球岩石的同位素組成太過相似。照理說撞擊天體的物質應該會留下不少痕跡，卻找不到證據。關於撞擊規模與條件的討論仍在持續。
- 把月球遠離的速度往過去回推，數字對不上。若以目前的速度直接反推，大約15億年前月球就會撞上地球。但實際的月球比這更古老，代表過去的後退速度應該更慢。一般認為原因出在大陸位置改變造成的潮汐能量耗散變化，但詳細的還原工作仍在進行中。
- 月球內部也還有未解之謎。目前認為月球有一個小型的核，但對其狀態與大小的推估仍有相當大的範圍。這是因為設置的地震儀數量有限，未來的探測計畫值得期待。
這是我們每晚抬頭就能看見、最熟悉的天體。即使如此，還是有許多問題尚未得到解答。
與教科書的關聯（依程度分類）
| 程度 | 科目・單元 | 對應本文何處 |
|---|---|---|
| 國中 | 理科・月相盈缺／自轉與公轉／重力 | 同一面朝向我們的機制、用球做的觀察 |
| 高中 | 物理・萬有引力／地學基礎・太陽系 | 力的差值造成拉長、數值一覽 |
| 高中＋ | 物理・剛體所受的力與力矩 | 潮汐力與距離立方成反比、力矩與穩定點 |
| 大學 | 天體力學・地球物理學 | 角動量的轉移、潮汐能量耗散、洛希極限 |
| 研究 | 行星科學（未解決） | 月球正反面的差異、月球的起源、後退速度的歷史 |
- Murray, C. D. & Dermott, S. F., Solar System Dynamics（潮汐鎖定與天體力學的標準教科書）。
- Dickey, J. O. et al., Lunar laser ranging: a continuing legacy of the Apollo program, Science 265, 482–490, 1994（月球後退速度的實測）。
- Jutzi, M. & Asphaug, E., Forming the lunar farside highlands by accretion of a companion moon, Nature 476, 69–72, 2011（關於月球正反面差異的一種說法）。
- Canup, R. M., Forming a Moon with an Earth-like composition via a giant impact, Science 338, 1052–1055, 2012（月球的起源與同位素問題）。
- 國立天文台（日本，國立天文台）關於月球與曆法的解說。
※ 距離與週期的數值，會因測量方法或定義而略有不同。本文採用一般常用的數值。
※本文為一般大眾取向的科學解說。文中數值僅為理解機制所用的參考值，會因條件或定義而有所差異。若要觀察太陽，請務必使用專用器材，絕對不要直接用眼睛觀看。