天文潮汐，作为地球最壮阔的自然现象之一，始终以神秘的周期性变化牵引着人类的探索目光。从古人的诗意描摹到现代科技的精准探究，人类对天文潮汐的认知历经漫长且深刻的演进。这里，我们将循着 “古代初步认知 — 牛顿引力解释 — 理论局限剖析” 的脉络，带您揭开天文潮汐现象背后的科学奥秘与未解谜团。

一、古今天文潮汐认知的演进之路

（一）古老谜题：自然奇观的早期探索

局地海面水位变化起因于天文潮和气象潮，后者是大气内部异常风暴引起，没有规律。天文潮汐是地球海洋的独特节律，既与人类生产生活紧密相关，也成为漫长历史中科学研究的重要课题。在缺乏现代科学知识的古代，这种周期性涨落被视为大自然的神秘力量，不断激发着人们的观察与思考。

我国古代文人常用诗词定格潮汐之美。唐代诗人张若虚在《春江花月夜》中写下 “春江潮水连海平，海上明月共潮生” 的千古名句，既描绘出江潮与大海相连、明月与潮水共生的壮丽图景，更敏锐捕捉到潮汐与明月的隐秘关联。这不仅是古人对潮汐现象最生动的感性记录，更最早将地球潮汐与月球运动建立起直观联系。

（二）历史溯源：中国古代的潮汐研究成就

我国对潮汐的科学研究起步早、成果丰硕，长期领先世界。东汉学者王充在《论衡・书虚》中提出 “涛之起也，随月盛衰”，首次明确潮汐涨落与月球运动的关联，成为古籍中最早的科学解释，彰显了古人细致的观察力与深刻的思辨力。

唐代窦叔蒙所著《海涛志》，是中国现存最早的潮汐学专著。他提出 “潮汐作涛，必符于月” 的同步原理，依据月相变化创制高低潮时推算图，通过定量计算得出：两次高潮的平均间隔为 12 小时 25 分钟 14.02 秒，次日高潮平均推迟 50 分钟 28.04 秒。这两组数据与现代测量的 12 小时 25 分钟、50 分钟高度吻合，标志着我国古代潮汐研究迈入定量阶段，为后世研究奠定坚实基础。

宋代天文学家余靖通过实地观测进一步完善理论。他先后在通州海门（今属上海）、广州武山（今虎门附近）考察，提出 “月亮起潮论”，并在《海潮图序》中明确 “潮之进退，海非增减，盖月之所临，则水往从之”。这一观点否定了 “海水增减致潮” 的误区，清晰阐释月球位置对水流的影响，让古代潮汐学说在不同现象之间的联系更趋完善。

英国科技史家李约瑟曾评价：“在十一世纪中，即在文艺复兴时期以前，他们（中国）在潮汐理论方面一直比欧洲人先进得多。” 我国古代的天文潮汐研究成就，既是中华民族的智慧结晶，也是世界科学史的宝贵财富。

（三）现代探索：科技赋能的深度认知

现代科技的飞速发展，为潮汐研究提供了全新手段与视角。卫星遥感技术凭借搭载的高度计等设备，实现对全球海洋海面高度的精确测量，能够覆盖广阔海域，获取长时间、大范围的观测数据，助力科学家精准把握潮汐的全球分布与变化规律。

海洋观测站则承担着定点监测的核心作用。这些固定在海洋中的观测平台，配备压力式验潮仪、声学多普勒流速剖面仪等先进设备，可实时测量海水水位、流速、流向等参数，并通过通信网络将高精度、高时间分辨率的数据传输至陆地研究中心，为潮汐机理分析提供详实的基础支撑。

二、牛顿引力理论对潮汐的解释

（一）潮汐研究的历史交锋

天文潮汐作为具有明确时间节律的自然现象，不仅是海洋科学的研究对象，还涉及固体地球科学与大气科学领域。其起源问题的研究已持续 2000 余年：1609 年，约翰内斯・开普勒首次提出月球引力引发潮汐；但 1616 年伽利略在《潮汐对话》中公开驳斥这一观点，将潮汐归因于地球自转与绕日公转，完全忽略月球的影响，蕴含着潮汐现象起源本质中未被世人认识的机理。这场争论直至牛顿万有引力理论出现，才为潮汐研究提供全新的科学框架，但这并非伽利略的本意。

（二）牛顿引力理论的核心逻辑

1687 年，牛顿在《自然哲学的数学原理》中系统阐述潮汐的成因，标志着人类对潮汐的认知迈入科学时代。其核心观点认为，天文潮汐是月球与太阳对地球的引力作用所致 —— 引力遵循 “万有引力定律”（公式：F = G Mm/r²，其中 F 为引力，G 为引力常数，M 和 m 为两物体质量，r 为距离），地球上不同位置受到的引力大小存在差异，这种 “引力差” 被认为是潮汐形成的关键。

（三）潮汐成因与周期的理论阐释

根据牛顿引力理论，月球对地球表面的引力存在空间差异：面向月球的一侧引力最强，背向月球的一侧引力最弱。这种引力差是地球海洋形成两个对称潮汐隆起（迎月侧与背月侧各一个）的核心原因，这一过程可通过引力差公式量化：△F = G M m △r /r³（其中△F 为地球表面两点间的引力差，M 为月球质量，m 为地球表面海水微元的质量，△r 为海表两点到月球质心的距离差值，r 为两点到月球质心的平均距离，G 为万有引力常量）。

天文潮汐周期与天体相对运动直接相关：半日潮的 12 小时 25 分钟周期，源于地球自转（24 小时）与月球绕地球公转（27.3 天）的叠加效应，导致月球相对地球每 12 小时 25 分钟完成一次位置更替；半月潮的 14 天周期，则是月球与太阳相对位置每 14 天完成一次循环的结果。

三、牛顿引力理论的局限性

天文潮汐现象的复杂性远超早期理论设想，许多观测事实对牛顿引力理论提出挑战，暴露其解释力的不足 [1]。美国国家海洋和大气管理局（NOAA）基于权威教科书总结的核心观测结果，清晰揭示了这些局限：

（一）大潮出现时间与朔望日不同步

最高潮位的半月周期（约 14 天）虽与月球、太阳相对位置相关，但多数地区的最高潮并非出现在新月或满月当天，而是滞后一两天。这种潮汐水位月变化与日月相对位置的错位，难以用单纯的引力作用解释，暗示半月尺度潮汐振动的深层机制仍需探索。

（二）高潮相位与月球直射不同步

由于地球自转，潮汐隆起会超前月球约 3 度，导致高潮出现时间与月球到达天顶的时间并不一致。这一现象间接否定了海洋潮汐与月球引力的直接对应关系，表明地球潮汐可能存在自身的运行节律。

（三）小潮期间的振幅变化无法充分解释

每月两次的小潮期间，潮差达到最小值，但观测发现，半日潮的振幅在相邻大潮、小潮周期之间存在显著波动。牛顿引力理论难以从动力学角度充分阐释这种振幅差异的成因。

（四）最大潮汐隆起的空间分布偏离预期

从北极上空观测可见，最大潮汐隆起并非出现在月球公转平面内，而是集中在地球赤道附近及南北两侧，形成热带区域的椭圆分布。这一事实进一步证明，月球引力并非潮汐的本质起源，地球自身的物理特性可能在潮汐形成中扮演更关键的角色。

综上，牛顿引力理论虽搭建了天文潮汐解释的基本框架，能够说明潮汐的大致特征，但无法破解诸多细节谜题：潮汐相位的滞后现象、振幅的不规则变化、隆起分布的特殊性等，均超出传统引力理论的解释范畴。

结语：潮汐研究的未来方向

从古代的感性观察到现代的定量分析，人类对天文潮汐的认知不断深化，但这一自然现象的完整奥秘尚未完全揭开。伽利略将地球潮汐与月球运动割裂开来，认为其归因于地球自转与公转，这种独特视角虽未被当时主流认可，却为科学探索提供了新维度。他对天文学观测、力学实验和科学方法革新的贡献，不仅为牛顿力学体系的形成奠定基础，更可能对未来人类认识引力和天文潮汐现象的本质产生深远影响。

牛顿引力理论为潮汐探索提供了起点，但其局限性明确指出未来的研究方向 —— 需突破传统引力框架，结合地球自转与公转、海洋地形、流体动力学等多方面因素，构建更全面的潮汐理论。随着观测技术的升级与跨学科研究的推进，潮汐背后的深层机理终将被彻底破解，为海洋资源开发、灾害预警等领域提供更坚实的科学支撑，甚至可能引发对引力世界观的根本转变。天文潮与气象潮的同时叠加给沿海地区造成的灾难更为严重。

参考文献

[1] Qian WH (2023) A Tidal Theory Based on the Inertial Motion of the Matter in the Universe. J Modern Physics 14: 1252-1271.

来源: 钱维宏