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月はどうしていつも同じ面しか見えないの?

1秒という時間の長さはどのようにして決めたのですか?

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質問: 月はどうしていつも同じ面しか見えないの?

回答: 以下のとおり

重要な説明は下線の部分です。それ以外は飛ばして読んでも大丈夫です。
  1. 上の図をご覧ください。にわとりの卵を3つ用意します。 → 1つ目はゆで卵。2つ目は生卵。3つ目は後で説明に使うので今は無視してください。→さて、ゆで卵と生卵はどちらが先に止まるでしょうか?→そう、生卵ですね。→中の半流体の白身が回転運動を不安定にさせてゆで卵よりも早く止まるのです(物理学的にいうと、回転エネルギーが卵の白身の移動のエネルギーと摩擦で発生する熱エネルギーになって失われて最後には止まる。)→さて、月は生卵みたいに中が流体なのか?→月ほどの大きさになるとたとえ月が金属でできていても中身が動くのです。わかりやすい説明をしましょう。同じ太さで1cmの針金と1mの針金があったとします。1mの方が簡単に曲がりますね。これは巨大の方が微妙な性質が観測しやすいからです。→話を元に戻します。月は自転で中身が動いて回転エネルギーをほんのわずかだけ失う。→ほんのわずかだけれど、これが数十億年続くのだから最後には止まるのです。ただし、この説明は問題点があります。月が地球の周りを回ることによって生じる遠心力でほぼ無重力となるからです。
  2. こんどは3つ目の卵を見てください。これはゆで卵(一つ目と同じ)の片側に粘土を貼り付けたもの。この場合、粘土付きゆで卵のほうが軸に対する摩擦が大きくなるのでゆで卵よりも早く止まるでしょう。さて、月はアポロ宇宙船によって、裏側がクレーターや山でいっぱいだということが判りました。表側は平地がほとんどだということは皆さんは知っていますよね。だから、月は粘土付きゆで卵と同様の可能性があるのです。とはいっても、宇宙空間では裏と表が密度が違っていようと減速にはあまり関係ありません。
  3. 月は平地の方を地球に向けています。ちょっと考えると変ですね。山やクレーターがあるから重たくて地球の方に向くはずなのに。実は月とか地球は山のほうが密度が低いのです。平地の地面のほうが密度が高い(重い)のです。平地は地表近くまで重い土・岩石が多く、山は地上より上だけでなく地上より下も軽い土・岩石でできているのです。水の上に浮いている氷は水面の上の部分だけでなく水面より下の部分も多くあります。だから、山があってもなくても同じ重さのはずです。月が平地をこちらに向けているのは他の原因で表側が重くなったからと推定されます。その原因はまだ判りません。
  4. もっと詳しい説明をします。月の面は、「地球から近い側にある場合」 のほうが 「地球に遠い側にある場合」 よりも 地球から受ける重力が若干大きいのです。これによって月が地球−月の方向に引き延ばされます。これを潮汐力と言います。 昔は回転していたので、たとえば90度さらに回転すると先ほど伸びた部分が逆に縮み、先ほど縮んでいた部分が逆に伸びることになります。つまり、簡単に言えば、回転するたびに押しつぶされたり、伸ばされたりする。その分、回転エネルギーが、運動エネルギーと熱エネルギーなどになって失われる。それが数十億年繰り返される。これが月の自転を減速させる一番大きな原因なのです
  5. 月は地球の中心を廻っています。しかし、厳密には月と地球の共通重心の周りを廻っているのです。だから、地球の中心よりやや月に近い部分を中心に月が回っているのです。ところで、地球の自転も地球の中心よりやや月に近い部分(今説明している共通重心)を中心に回っています。だから、地球も月と同じく自転が止まる運命になっています。しかし、月と比べて止まる要素の度合いが小さいためにまだまだずっと回り続けています。でも、減速しているのは観測によって確かめられています。うるう秒といって数年に一秒だけ時刻を遅らせているのもこれが原因です。昔は地球は1日が20時間とかいうふうにもっと短かったのです。
      5のまとめ: 月は共通重心からほどよい距離にあるので自転するたびに月の中身が大きく動く。地球は共通重心からほとんど離れていないので地球の中身があまり動かない(それでも、潮の満ち引きの影響を与える。)

緊急追記<2008年10月26日 日曜日>:
よくこういう(以下の)反論を受けます。でも、上記の説明でいいのです。
以下はその説明:
月は昔は地球に近いところにあって、重力の影響がかなり大きいので、地球−月という方向に卵形(上記の絵とは無関係)に変形し、その際に地球側の面近くに重い物質が集まった。だから、月が地球に同じ面を向けているという説明(反論)があります。
でも、卵形に変形するには、すでに月が同じ面を地球に向けた状態になっているという前提が必要です。前提の段階ですでに同じ面を向けてしまっているのです。月が止まった後の現象が月が止まっている原因だという非論理的な説明になってしまうのです。
ではその前提は何かというと、上記の説明(特に下線の部分)です。


また、ジャイアントインパクト(大きな天体が地球に衝突して月が生まれた。その衝突のこと)の段階で同じ面を向けたという反論もあります。
でも、残骸の再終結の際はかなりの運動エネルギーがあったのでかなり大きくなっても回転していたはずです。その後、上記の下線の理由で止まったと考えられます。

ところで、太陽系のほぼ全ての衛星は同じ面を惑星に向けています。




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