【正见网2024年06月14日】
潮汐是指海水在天体（主要是月球和太阳）作用下，发生在地球上沿海地区或岛屿的一种周期性涨落现象。 古人为了表示海水涨落的时刻，把发生在白天的海水涨落称为潮，发生在晚上的海水涨落叫汐，统称为潮汐。
从历史记载看，人类对潮汐的研究已有一千多年，对其周期性和规律性的认识都有了丰富的积累，如今已经能够准确预报潮汐的涨落。同时，在潮汐的利用方面也取得了非凡的进展，然而，潮汐因何而起，缘何而落？这个问题一直困扰着人类。各种学说和理论众多，众说纷纭，都未能圆满的解释和回答这个问题。
为此，本文旨在不受以前各种理论和观念框框局限，从一个全新的视角，采用形象、直观的方法，运用人类原初的感性和知性来探讨潮汐的成因和起潮机制。实际上，客观世界的本质，本来都是很简单的，是由于掺杂了某些脱离实际的想象才使得问题变得复杂和不容易理解。当我们抛开所有的被灌输的各种不客观真实的观念，能够摆脱旧的框框束缚的时候，真知便自然会浮现出来。
1、中国古代关于潮汐现象和成因的认识
潮汐有高潮和低潮，海平面上升达最高时，称为满潮或高潮（High water）﹔海平面下降至最低时，称为干潮或低潮（Low water）。由干潮至满潮的期间，称为涨潮（Flood）﹔而由满潮至干潮的期间，则称为落潮或退潮（Ebb）。潮汐可能是半日潮（一天有两次高潮和两次低潮），或全日潮（每天只有一次循环）。在大多数的地区，潮汐通常都是半日潮。由于地理位置和地形因素的影响，还有其它混合潮型。潮差是指高低潮之间的潮位差，很大程度上也与地理位置和地形密切相关。
现有的记载表明，近两千年前的古人已经认识到了潮汐与月球运动之间的联系。东汉王充（27—约97）在《論衡．书虚篇》中提出：“涛之起也，随月盛衰”的理论，明确指出了潮汐现象与月亮在天球视运动的同步关系， “潮汐作涛，必符于月”；“晦明牵于日，潮汐系于月，若烟自火，若影附形，有由然矣” 。
公元8世纪中后期，唐代的窦叔蒙撰写了我国最早的潮汐学专著《海涛志》，也是世界上第一部全面论述潮汐的专著，同时又是潮汐预报的开端。书中有 “月与海相推，海与月相期”的论断，并说：“涛之潮汐，并月而生，日异月同，盖有常数矣。盈于朔望，消于朏魄（意为朔望后三日开始逐渐减小），虚于上下弦，息于眺朒（意为朔望前三日开始逐渐增大）。轮回辐次，周而复始。”论证了潮汐是随月亮的变化而变化，周期性循环往复。
此外，他还用中国古代天文历算方法进行潮时的推算，自唐宝应二年（763年）冬至，上推得到积日（总日数）28992644中积涛（潮汐总次数）为56021944。由此可得潮汐周期为12小时25分14.02秒（按一日24小时计算），这样的一个平均太阴日为24.84112069小时（即24小时50分钟28.03秒），与现在认识到的月球连续二次通过某一地方子午线上中天之时间间隔平均值24小时50分钟24.9秒非常接近。窦氏是在1200年前算出如此精确的数值。他还制作了《窦叔蒙涛时图》，依据此图，人们可方便的查出一个朔望月中任何一天的两次高潮时辰。他提出的朔望月的图表法是目前所见到的世界上最早的潮汐预报方法。
还有一个古代潮汐表例证，就是北宋至和三年（1056 年）吕昌明的《浙江四时潮候图》。李约瑟在论及《浙江四时潮候图》时说道：“大英博物馆所藏的手稿中，只有载明‘伦敦桥涨潮’（flood at London bridge）时间的 13 世纪潮汐表可与此相比。在欧洲，这是最早的表”。因此他给出了这样的评价：“潮汐表的系统编制，中国人显然早于西方”。
到了明清时期，揭暄（约1610-1702）将西方传入的大地球形观和传统的潮汐学说结合起来，建立了潮汐运动的椭球模型，“月之临则潮起，……月之对冲潮亦起，……月绕地而行，潮亦绕行；月行天一周，潮亦循地一周。是天地内，无地不潮，无刻不潮也。（《物理小识》卷二的注文）”；“然地本圆体，上下潮汐凸起，前后两头生消，遂抱地作长椭形，有如榄核但椭，核移，地球不移”。
在东汉时期，古人对潮汐涨落与月亮运行之间的同步规律已有了清晰而明确的认识；唐宋时期，根据这一规律已经能够十分准确的进行潮汐预报；明清时期，长椭球模型的建立将对潮汐运动的认识推向一个新的高度。然而，对于起潮机制，却都云里雾里，没有清晰明确的认识。虽然知道月球起着关键性的作用，但却不清楚是如何作用于海面的。揭暄只是说：“潮与汐皆月所摄也。”
2、引潮力认识的由来
海水有规律涨落的潮汐是海面一种长周期的波动现象，垂直方向上表现为潮位的升降，水平方向上表现为海潮的涨落。1687年，牛顿提出了关于天体运动的万有引力诠释，为了构建这个庞大的理论体系，又定义了许多假想力或虚拟力，如惯性力、离心力和潮汐力等，以便在数学计算中维持力的平衡。
《自然哲学之数学原理》是牛顿一生中最重要的科学著作。中文版译者在这本书的导读中说 “需要指出的是，我们今天谈到牛顿的丰功伟绩时，首先会谈到他的万有引力定律，其次才是他的力学三定律。《原理》的读者可能很容易在书中发现他的力学三定律，但找不到万有引力定律，原因是牛顿并没有把这一定律像我们今天这样把它突出出来。但是，这并不意味着牛顿本人不认为万有引力定律有普适意义，而是在牛顿那里，万有引力的大小、方向等规律必须是推导出来的结果，不是当做经验性的普适原理直接引入的。” [1]
在牛顿之前有笛卡尔的宇宙体系，强调以某种充满空间的特殊的物质“以太”(牛顿所说的“隐秘的质”)传递物体之间的相互作用，使物体的运动得以持续。“以太”是一种想象中的物质存在，一种纯思辨的产物，首次提出了一个排除神力的宇宙动力学模型。当牛顿提出的万有引力理论解释不了著名的水星的近日点进动问题时，爱因斯坦的相对论便应运而生。爱因斯坦1905年提出的狭义相对论，否决了任何超过光速传播的效应的可能性，这也暗示了相对论的基本假设和牛顿天体力学的矛盾。拉普拉斯早先已经在其研究中证明：如果引力相互作用不是超距的（即传播是瞬时的），行星的运动将不再严格满足动量守恒定律，并推导出当引力以光速传播时太阳系是不稳定的，并只能维持并不太长时间的存在。
这种矛盾引出了建立一个替代牛顿引力理论的新理论的需求，这个新理论若要将万有引力和狭义相对论的基本假设统一起来，就需要牺牲经典力学中习以为常的空间假设：即我们所处的时空是一个符合欧几里得几何的理想化的、无任何秉性的平直时空。爱因斯坦使用的黎曼几何，描述下的时空可以是弯曲的。
经过八年的研究，他成功提出了广义相对论。广义相对论要求时空是弯曲的，这种时空的弯曲性也是一种物理上的实在，这与惯性力不过是假想的“虚力”完全不同。广义相对论首先成功解释了水星近日点的进动误差并预言了光线在太阳引力场中的偏折，1919年5月29日的一次日全食发生时，拍摄到了太阳背后的星光照片，星光弯曲得到了实验验证。对宇宙空间的探索和诠释仍在继续发展，后来的科学家又提出了引力波和暗物质的学说。真正的科学探索精神是建立在开放的思维和对宇宙真象及真知的追求基础之上，而非先入为主的沉迷于某种假说而固步自封。
牛顿用引潮力解释潮汐运动，将月、日引潮力当成是产生潮汐涨落的原动力。1740年，D.伯努利从静力学平衡的角度出发，假设地球表面都被海洋所覆盖，而且海面在任何时刻都能够保持与重力和引潮力的合力处处垂直。这种理想化了的海洋潮汐，称为平衡潮。伯努利的这种学说，称为平衡潮学说。在此学说的基础上建立起来的一种潮汐理论，为潮汐静力学理论。这是继牛顿之后第一个提出的潮汐理论。平衡潮理论假定：整个地球表面被等深海水所包围；海水没有惯性，也没有粘滞性，在重力与引潮力作用下，海水时时处于平衡状态，海面变成了椭球形，称之为 “潮汐椭球”。由于地球的自转，在地球表面上的固定地点的海面便发生周期性的涨落而形成潮汐，如图1所示。
图1 月、日对地球上海面引潮力示意图
按照这样的理解，地球“背向”月球的一面就不应该出现涨潮，但人们却早已观察到，地球“背向”月球的一面也会涨潮，为什么会这样呢？下来我们就来揭秘一下。 为了解释 “背向”月球的地球另一面这种看似奇怪的潮汐涨落现象，有人又提出：地球和月球都围绕共同的引力中心旋转，离心力这个虚拟力在远离月球的一面占主导地位，而引力在月球一侧占主导地位。以此来解释潮汐椭球的凸起，这种解释已超出平衡潮理论的假设条件。总之，所有这些解释的基础还都离不开引力和虚拟的离心力，也就是引潮力对海面的拉力，即海平面是被拉高的。
3、典型岛屿潮汐椭球数据分布和变化规律的启示
现在对潮汐的研究已经有一千多年的历史，对潮汐的预报已经非常成熟，因此，这里采用潮汐预报数据作为参照进行规律分析。这是因为关岛是太平洋马里亚纳群岛南端的岛屿，13° 28' 0" N / 144° 46' 59" E ，距离赤道较近，位于月亮对海面直接作用下的中心区域，而非受这种作用后的海潮涌动和扩展的影响，有利于潮汐涨落特性得到丰富的展现，加之面积较小，远离大陆板块海岸和海湾，四周海面辽阔，潮汐受地形等附加因素的影响较小，具有一定的典型性。 图2给出了关岛近期的潮汐表预报数据，其中5月1日为下弦月；5月8日为新月；5月15日为上弦月；5月23日为满月。
图2 关岛近期潮汐预报数据
（注：5月26日：03:15 ，▼ 0.5 米；07:50 ，▲ 0.7 米 ；15:31 ，▼ -0.2 米 ；23:18 ，▲ 0.7 米；源自https://www.tideschart.com/search.php?q=guam）
依据图2中显示的潮汐数据，选取一个月中的典型日数据绘制潮汐椭球分布示意图，如图3所示，图3中各图依次为（逆时针）不同月相当日的潮汐椭球分布示意：太阳的位置在图中左侧。月亮在关岛上中天的位置和时间方向特征如图中所示，图中月亮与地球中心连线与潮汐椭球相交部分的线段长度则表示此时刻关岛的潮位高低（亦有负值部分）；图中地球逆时针自转不同角度的时候，关岛当地的时间（GMT+10）方向特征为：朝向左侧（太阳）为正午12时；朝向右侧为子夜0时；朝向上方为早6时；朝向下方为晚18时。由此从图中潮汐椭球与时间方位的对应角度方向，便可看出某时刻关岛的海平面潮位高低情况。
（ a）下弦月；（b）残月（新月前三日）；（c）新月；（d）蛾眉月（新月后三日）；（e）上弦月；（f）盈凸月（满月前三日）；（g）满月；（h）亏凸月（满月后三日）
图3 关岛典型月相日潮汐椭球分布示意图
潮汐椭球可表示受到外部作用的关岛海平面的潮位在一天中的分布情况，同时，潮位分布也可反映出受影响海水的位能（势能）分布，所以，通过潮汐椭球变化可以从宏观总体上定性的研判受影响海水的总体积和总能量的变化情况。这是一种积分式的分析方法，可以忽略未知的各种因素的作用方向和影响程度，只是从体积和能量角度看最后的综合成效和总体结果。这对于不确定的日、月作用力是引力还是压力的情况下，更为形象直观和简单明了。因为我们所能看到的原本是自然界的现象，直接从现象本身直观的分析和探寻真知，可以更为有效的通过演变过程的总体形态来把握事物发展的本质，还可避免不确定的复杂因素干扰和郑人买履式的思维陷阱。
从图3 中各图可以看出一个月的潮汐椭球逆时针转动和变化情况，随着月亮的阴晴圆缺，潮汐椭球也随着月亮绕地球的公转而缓慢的旋转，近乎同步。示意图中任一典型月相日的潮汐椭球分布，都对应地球当日自转的不同时刻的潮位分布。
从图3中展现的一个月中潮汐椭球分布的变化过程，可以发现以下现象和规律：
（A）从图中处于对角线或相对位置的全部四组图不难发现，新月与满月，上弦月与下弦月，蛾眉月与亏凸月，盈凸月与残月，尽管月亮位置的相位差约为180度，但其中的潮汐椭球具有相似的分布特征。不同的是，月亮在上中天时，关岛的潮位高低不同，新月以后潮位较低，满月以后潮位较高。
（B）从蛾眉月经过满月到亏凸月，随着月相的变化和地球的自转，潮汐椭球完成了一次向背向太阳方向分布重心迁移，较高潮位的海水分布从最初的背向太阳方向，经历太阳和月亮半个月的共同作用后，又回到了初始的低潮位特征状态。在一个月两次的潮汐椭球迁移中， 蛾眉月和亏凸月分别作为起点或终点。月亮在上中天时，关岛的潮位从起初的-0.2米以上上升为+0.5米以上；而从亏凸月经过新月到蛾眉月的过程，潮汐椭球发生同样周期性迁移，不同的是，关岛的潮位经过的是反向降低的过程。
（C）盈凸月和残月当日的潮汐椭球分布相对均衡，处于潮汐椭球迁移的中间状态，其特征是潮差接近最小，同时在高低潮（HLW）逐日降低与低低潮（LLW）逐日升高过程中，常于此时发生交叉易位；之后，新的高低潮（HLW）逐日升高与新的低低潮（LLW）逐日降低，其差值接近最大，而且，新月和满月后三天的潮差均达到最大，正如苏东坡的诗词名句所描述： “八月十八潮，壮观天下无” 。
同时， 从潮汐椭球分布数据和演变规律中可以得到以下的启示，也会产生某些疑问：
（1） 新月日，日月合相，正午时分的潮位处于低潮（13:07H，-0.1米），潮汐椭球显示的海水分布偏向远离日、月的方向的远端。日月合相叠加在一起的引潮力理论上应达到最大，潮汐椭球的海水分布没有向日、月方向汇聚，反而向背离日月的方向迁移；还有上弦月和下弦月当日的潮汐椭球海水分布也未呈现向月亮方向汇聚的一致性，这都是为什么？日、月给潮汐椭球施加的作用是引力，还是压力？
（2）潮汐椭球的一个高潮凸起位于月亮移动方向（逆时针）的后方随之缓慢转动，且有一个变化的相位差；也就是说，地球自转时，潮汐椭球的高潮凸起并未随着地球的自转而同步旋转通过月亮正下方前移。从图3中的上弦月（a）到新月（c）可见，月球在八天中逆时针移动了约90度角，地球自转了8圈，而潮汐椭球的高潮峰值的时间变化相位角只向前转动了约63度（从2:35H到6:48H），太阳、月球是靠引力拉着潮汐椭球向前转动，还是推压着它，阻滞了其向前的移动？
（3）满月当日的潮汐椭球海水分布偏向背向太阳的月亮一侧。如果作用力为引力，好似符合月球的引潮力是太阳的2.17倍的理论，但与前面新月时的情况分析对比，显然自相矛盾；如果作用力是压力，则显然太阳的压力要大于月亮。此外，上弦月与下弦月的潮汐椭球海水分布特征相似，而月球相位却差着180度，基于万有引力的引潮力是如何起作用的？
4、潮汐的成因和起潮机制探寻
关岛潮汐表的数据具有典型性和一定的代表性，查阅太平洋赤道附近的其它岛屿的潮汐表也都有类似的特征，只是零纬度附近的岛屿，潮差的表现会非常强烈。大陆板块沿岸、海湾及高纬度地区，由于多种因素的影响会使这种特征发生变化，潮汐分布可能呈现反相或全日潮特征。
本来若无日、月及其它因素的影响，地球表面的海水是可以很自然的随着地球自转而同步转动的。按照平衡潮理论，有日月合相叠加的引潮力，又有地球自转向前的推波，都未能使得潮汐椭球超过月亮向前移动，这是为什么呢？这里只是提出一种思考方式：从现象入手，进行从现象到现象的直观和形象的分析，不借助那些定律、定理、公理和命题，以免被假想的概念、理论或边界条件带入迷途。
海水是一种流体，而流体的特性是不可压缩，可以用来传递压力。工程机械常用的液压伺服系统就是理由流体的这个特性。水往低处流是一种常态，若要流向高处则需要正压力，把水压上去。水银气压计测量气压时的毫米汞柱就是利用这个原理；抽水机抽水也是如此，也并非靠负压吸上去的。海面上的“龙吸水”，又称水龙卷（waterspout），吸管涡旋内部风速多在每秒100米以上，形成负压梯度，当然高速的涡旋的作用就不仅仅是压差的作用了，能把海上船只吸入其中的那么大的破坏力还有其它因素的作用。
从经典力学对力的性质表述看， 力对物体的作用效果取决于力的大小、方向与作用点，构成力的三要素。这种作用需要通过介质传递才得以施加的。如何构想出一个超越时空的超距作用的引力呢？在不相信超常的神迹的同时，又构建一个假想的超距“神力”理论来解释天体运动。人们常说，牛顿发现了万有引力，其实，直到今天也没有人触摸到这种引力，只是构建了这样一个万有引力理论体系，用来描述天体运动。
众所周知，江河上修建的大坝会拦阻上游流下来的河水，从而水位升高，积累位能（势能），水库的水存的多了，水平面会向上游延伸，这与潮汐椭球的分布特征很相似。那么，海面上的潮汐又是如何形成的呢？从关岛潮汐表的数据和潮汐椭球在一个月中的演变规律可以看到这样的现象：地球的自转带着海水每天自然的转一圈，是日月的影响，前方好似出现了施压于水面的拦阻推力，才可能使得潮汐椭球凸起的高潮海面移动非常缓慢，不跟随地球同步自转。月亮绕地球的旋转，对海面的压力好比一道移动的阻水坝一样，使得潮汐椭球只好跟在后面亦步亦趋。会不会是这样的一种情况呢？
太阳对海平面施加的推压力与地球自转的向前推动，从而使得在满月前后，潮汐椭球的海水分布更多的偏向月亮一侧。一个月中，新月前后与满月前后两次的潮汐椭球向太阳远端方向迁移，就是潮汐高潮和低潮的产生原因，也是高潮和低潮转换易位的看不见的推手。至于这种压力是时空扭曲，还是暗物质或其它原因？只能这样说，太空中的真空，非物质空，微观物质和微观时空的形态，虽然现在的科技手段还未探测到，但未必就不存在。
古人有那样丰富的想象力， “月与海相推，海与月相期。” 是否点出是潮汐椭球与月亮的相互作用实质？留给我们的是更广阔无际的空间，等待我们探寻和突破。
参考文献：
[1] 王克迪译，《自然哲学之数学原理》（ [英] 牛顿著），北京大学出版社2018年6月出版。
