В апреле 2024 года Белый дом обратился к ученым с просьбой установить лунный стандарт времени, рассчитывая на расширение международного присутствия на Луне и создание потенциальных баз для людей в рамках инициативы НАСА» Артемида». Настоящий вопрос, над которым ломают голову, — это не «Который час?», а, скорее, «Как быстро проходит время?».
Время, которое показывают часы, может установить любой хронометрист, но физика определяет, как быстро проходит время. В начале XX века Альберт Эйнштейн установил, что два наблюдателя не смогут договориться о том, сколько времени длится час, если они не движутся с одинаковой скоростью в одном направлении. Такое же разногласие существует между человеком на поверхности Земли и человеком, находящимся на орбите или на Луне.
«Если мы находимся на Луне, часы будут тикать иначе [чем на Земле]», — говорит физик-теоретик Биджунатх Патла из Национального института стандартов и технологий (NIST) в Боулдере, штат Колорадо. Он отметил, что движение Луны относительно нас заставляет часы идти медленнее, чем по земному стандарту, но ее меньшая гравитация приводит к тому, что часы идут быстрее. «Таким образом, это два конкурирующих эффекта, и чистым результатом этого является дрейф на 56 микросекунд в день». (Это 0,000056 секунды).
Патла и его коллега-физик из NIST Нил Эшби использовали теорию общей относительности Эйнштейна для расчета этого числа, что является улучшением по сравнению с предыдущими анализами. Они опубликовали свои результаты в журнале Astronomical Journal.
Хотя разница в 56 микросекунд мала по человеческим меркам, она имеет большое значение, когда речь идет о точном управлении несколькими миссиями или о связи между Землей и Луной.
«Главное — это безопасность навигации в контексте лунной экосистемы, когда на Луне будет гораздо больше активности, чем сейчас», — говорит Шерил Грамлинг, системный инженер из Центра космических полетов НАСА имени Годдарда. «Когда речь идет о навигации, дрейф в 56 микросекунд в течение суток между часами на Луне и часами на Земле — это большая разница, поэтому вы должны это учитывать».
Современная точная навигация опирается на синхронизацию часов, что предполагает координацию с помощью радиоволн, которые распространяются со скоростью света. Грамлинг отметил, что свет проходит 30 сантиметров (11,8 дюйма) за 1 наносекунду (0,001 микросекунды) — невероятно короткий промежуток времени по человеческим меркам, поэтому неучет 56-микросекундного расхождения потенциально может привести к навигационным ошибкам размером до 17 километров в день. Даже доля такой погрешности неприемлема, когда речь идет о миссиях Artemis, которые требуют постоянного знания положения каждого ровера, посадочной платформы или астронавта с точностью до 10 метров.
Я свободен! Свободное падение!
Ключевой результат теории относительности заключается в том, что абсолютного времени не существует. Часы на поверхности Земли будут тикать медленнее, чем часы на орбите, из-за гравитационных эффектов, поэтому спутники GPS должны учитывать относительность. (Универсальное координированное время и другие стандарты на Земле используют сети часов, которые также корректируют крошечные гравитационные различия на разных высотах).
Определение разницы в отсчете времени между Землей и Луной добавляет дополнительные сложности. Луна движется относительно любой точки на поверхности Земли из-за нашего вращения и ее орбиты вокруг нас, а значит, любые лунные часы будут идти медленнее с нашей точки зрения. Кроме того, на любые часы на Луне влияет гравитация Луны и Земли. (Искусственные спутники не настолько велики и массивны, чтобы их собственное гравитационное воздействие имело значение).
Правильная работа с этими эффектами относительности требует выбора подходящей системы отсчета. Эшби и Патла решили эту проблему, признав, что система Земля-Луна находится в свободном падении — движется только под действием гравитации Солнца — и каждая из них вращается вокруг своего общего центра масс. Это позволило им сформулировать вклад каждого из осложнений: вращение каждого тела, приливные силы, отклонения формы от идеальной сферы и так далее.
Эшби и Патла также провели расчеты для гравитационно стабильных позиций на орбите между Землей и Луной, известных как точки Лагранжа, которые могут быть использованы для спутников ретрансляции связи.
Тем временем физик-теоретик Сергей Копейкин из Университета Миссури и астроном Джордж Каплан из Военно-морской обсерватории США независимо друг от друга рассчитали 56-микросекундный временной сдвиг между Землей и Луной. Они также рассчитали более мелкие периодические колебания хода часов из-за крошечных изменений приливных сил Солнца и Юпитера — эффекты наносекундного уровня, которые, тем не менее, необходимо учитывать для достижения 10-метровой или более высокой навигационной точности.
«Сообщество [теории относительности] оказало нам большую услугу, опубликовав всю эту работу», — говорит Грамлинг. Теперь у нас есть что предложить всему международному сообществу экспертов по хронометражу и сказать: «Это та модель, которую мы можем стандартизировать для Луны?»
Пройдет много лет или десятилетий, прежде чем Луна будет заселена людьми и роботами настолько, что потребуется такой уровень хронометража. Однако ученые и инженеры понимают, насколько важно иметь лунный стандарт времени задолго до того, как в этом возникнет необходимость. Теперь они сделали этот трудный первый шаг к тому, чтобы узнать, который час на Луне.
Создание лунного стандарта времени потребует не только точных расчетов, но и международного сотрудничества среди ученых, инженеров и правительств. Обеспечение согласованности во вспомогательных системах отсчета времени между Землей и Луной станет основным вызовом. Учитывая, что любые будущие лунные миссии будут несомненно связанны с деятельностью на Земле, разработка единой системы хронометража позволит упростить навигацию, коммуникацию и эксплуатацию ресурсов на Луне.
Системы спутниковой навигации на Земле уже адаптированы к учету этих гравитационных и временных сдвигов. Аналогичный подход может быть применен и для лунной орбиты, где новые спутники смогут передавать точное время, согласованное с земными стандартами. Это создаст основу для комплексных лунных операций, включая возможные колонии и исследовательские станции, которые могут использовать автоматизированный транспорт и дронов.
Кроме того, исследование временных колебаний и их взаимосвязь между Землей и Луной может способствовать пониманию более глубоких аспектов гравитации и космологии. Эти знания могут открыть новые горизонты в исследовании других небесных тел и потенциально расширить горизонты человечества в освоении космоса.
вы найдёте новости о непознанном, НЛО, мистике, научных открытиях, неизвестных исторических фактах.
