Время раздора: почему США и Китай не могут договориться, который час на Луне

Если вы остановитесь у старого здания Хлебной биржи в Бристоле, то заметите над входом часы с двумя минутными стрелками. Одна показывает лондонское время, вторая — бристольское, отстающее ровно на десять минут. Разница возникла потому, что солнце достигает зенита над вторым городом чуть позже, чем над первым.

Когда дело доходит до расписаний, выходящих за пределы одного города, такой дуализм создаёт проблемы. Именно поэтому в 1840 году британская компания Great Western Railway ввела так называемое «Железнодорожное время» на всей своей сети, утвердив среднее время по Гринвичу в качестве первого стандартизированного. Эта часовая зона используется в Великобритании и по сей день. Но когда несколько городов отказались переходить на время, установленное Королевской обсерваторией в Гринвиче, решением стали две минутные стрелки вместо одной. Так и появились трёхстрелочные часы.

Теперь этот компромисс рискует повториться в куда менее тривиальном месте — на Луне.

США и Китай, две крупнейшие космические державы, расходятся во мнении о том, сколько сейчас времени на Луне. Это проблема, поскольку, по мнению экспертов, без единого стандарта спутники одной страны не смогут координировать действия с космическими аппаратами другой во время будущих миссий, что чревато авариями.

Белый дом поручил NASA разработать Лунное координированное время (LTC) в качестве универсального стандарта для лунной спутниковой системы LunaNet. Но у Китая другие планы.

Китайская лунная программа «Чанъэ», названная в честь богини, улетевшей с Земли на Луну в китайском фольклоре, — единственная, располагающая действующими лунными спутниками-ретрансляторами «Цюэцяо-1» и «Цюэцяо-2». Эти аппараты — первый шаг к полномасштабной лунной системе GPS, предназначенной для будущих миссий. Они напрямую конкурируют с американским проектом LunaNet, и из-за принципов работы GPS им потребуется единый временной стандарт. Китай также остаётся единственной космической державой, посадившей аппарат на обратную сторону Луны, где радиосигналы с Земли заблокированы, доказав тем самым способность координировать посадки без опоры на команды из дома.

Иными словами, хотя США превосходят Китай по общему числу космических миссий, спутники-ретрансляторы способны дать Пекину фору в создании первой лунной системы позиционирования для будущих посадок. Китай также не согласился использовать LTC для этой системы, что повышает вероятность расхождения стандартов времени.

Лунная гонка 2.0

Ещё в прошлом году эксперты предупреждали американских сенаторов, что Китай готов выиграть лунную гонку XXI века — борьбу за доступ к лунным ресурсам и создание постоянного присутствия человека на спутнике, — если космические программы не получат дополнительного финансирования. Учёные особо отметили бюджетные проблемы, способные подорвать лидерство США на лунной арене, и неустойчивую политическую поддержку станции Gateway, призванной обслуживать программу «Артемида».

Частные космические компании также смотрят на правительства в ожидании международных стандартов, прежде чем тратить деньги на дорогостоящее оборудование. Если Китай установит стандарты раньше США, частный сектор может сориентировать инвестиции на китайских заказчиков, предоставив Пекину конкурентное преимущество.

«Если у каждого будут свои стандарты, сложности для пользователя и производителя возрастают, — поясняет Биджунатх Патла, физик-теоретик из Национального института стандартов и технологий (NIST). — Возникает вероятность ошибок, просчётов при обмене данными, а затем и инцидентов».

Работа GPS построена на передаче спутниками временных сигналов. Если часы на спутниках разойдутся хотя бы на микросекунду, позиционирование может сместиться на сотни метров. При экстренной посадке такая погрешность способна обойтись дорого, а в случае пилотируемой миссии — стать фатальной.

Атомный пульс цивилизации

Когда вы достаёте телефон из кармана или смотрите в правый угол ноутбука, чтобы узнать время, точное значение координируется сотнями атомных часов по всему миру. Атомные часы, созданные NIST, измеряют колебания микроволн — взлёты и падения энергии. Атомы цезия в этих часах поглощают микроволновую энергию лишь тогда, когда частота колебаний достигает 9 192 631 770 циклов в секунду. Поскольку все атомы цезия идентичны, каждые атомные часы отмеряют абсолютно одинаковую секунду. Их изобретение привело к универсальному стандарту времени, сменившему григорианские установления XIX века.

На основе атомных часов возникло Международное атомное время, задаваемое оптическими «решёточными» и «цезиевыми фонтанными» часами NIST, а недавно изобретённые «ядерные часы» обещают сделать стандарт ещё точнее, отсчитывая время по колебаниям ядер тория-229.

Время на наших экранах — результат работы более 80 стран, сверяющих собственные атомные часы. Военно-морская обсерватория США передаёт показания своих атомных хронометров из Вашингтона и Колорадо в Международное бюро мер и весов (BIPM), расположенное в пригороде Парижа. BIPM собирает данные из десятков лабораторий по всему миру и вычисляет средневзвешенное значение — то, что мы называем Всемирным координированным временем (UTC). Затем BIPM рассылает странам поправки, те калибруют свои часы под UTC и передают сигнал на спутники, а спутники — на вышки сотовой связи. Результат высвечивается на наших телефонах.

Однако сколь бы универсальными ни были наши методы измерения, само время универсальным не является.

Там, где пространство-время диктует правила

Если бы международный атомный стандарт шёл с момента Большого взрыва, утверждают в NIST, он не погрешил бы ни на секунду за всю историю Вселенной. Но то, как мы переживаем время, зависит от гравитации. Гравитация на Земле задаётся массой и радиусом планеты. Вдали от земного притяжения пространство-время ведёт себя иначе.

Если бы один из двух близнецов остался на Земле, а второй отправился к чёрной дыре, где материя спрессована до немыслимых пределов, время для них потекло бы по-разному. Вернись близнец из чёрной дыры с атомными часами в руках — окажись такое возможным, — он застал бы Землю постаревшей на сотни миллионов лет, тогда как его часы отсчитали бы лишь краткий миг. «Гравитация замедляет время этого человека, его часы тикают медленнее, — поясняет Патла. — То же самое и с Землёй, и с Луной. На Луне часы идут быстрее».

Из-за физики пространства-времени координировать миссии со спутниками вдали от земной гравитации становится всё труднее. На Луне часы убегают вперёд примерно на 56 микросекунд в сутки по сравнению с земными. С математикой согласны все, но далеко не все согласны с тем, кто именно должен заводить эти часы.

Космические державы обязаны договориться о конвертации этой разницы в UTC или эквивалентный стандарт, работающий на спутниках. Без соглашения инженерное оборудование, полагающееся на GPS, может разойтись в показаниях, и миссии рискуют стать опасными, особенно с учётом прогнозируемого роста числа посадок.

Планируя высадить экипаж на Луну к 2030 году, китайское космическое агентство намерено к 2035 году построить лунную базу, с которой можно будет готовить операции по добыче ископаемых на астероидах или будущие миссии на Марс. Атомные часы на Марсе убегают примерно на 477 микросекунд в сутки — уже звучат предложения о марсианском часовом поясе. Но Патла считает, что отдельный часовой пояс для Марса лишь усугубит проблему.

Время договариваться

Почти все космические державы нацелены на южный полюс Луны, где предположительно сосредоточены огромные запасы замёрзшей воды, пригодной для переработки в водородное ракетное топливо. Покинуть Луну куда менее энергозатратно, чем вырваться из земной атмосферы, хотя сборка ракет на Луне ещё никогда не предпринималась. Однако южный полюс изрезан ударными кратерами и скалистыми горами, что делает посадку чрезвычайно рискованной. В 2023 году Индия первой в истории посадила туда аппарат — и на ближайшие десятилетия запланированы сотни запусков, преследующих ту же цель. Когда частота попыток возрастёт, расхождение между спутниковыми временными системами в чрезвычайной ситуации может обернуться катастрофой.

К счастью, между агентствами больше взаимодействия, чем можно было бы предположить. NIST поддерживает консультативные контакты с китайской обсерваторией Пурпурной горы, что, по словам Патлы, позволяет странам лучше координировать космическую деятельность. Китай объявил о собственной математической основе для измерения времени — Lunar Time Ephemeris (LTE440), которая может дополнить лунное время NASA, способствуя созданию более надёжной конверсии между двумя системами. Патла подчёркивает: математика и физика спору не подлежат, и это должно несколько успокоить политиков.

«Большинство стран мира пользуются UTC, так что у всех есть стимул выбрать наилучший маршрут к цели, — резюмирует Патла. — Если мы хотим построить лунную экономику и обеспечить устойчивое присутствие на Луне, стандарты, связывающие лунное время с земным, окажутся незаменимы».

Сейчас, когда две сверхдержавы готовятся застолбить за собой полярные кратеры, вопрос не в том, чьи ракеты долетят первыми, а в том, сумеют ли они вообще договориться о языке, на котором заговорят их часы. В конце концов, даже бристольские стрелки когда-то пришли к единому времени — пусть и сохранив память о разногласиях в музейном циферблате.

Источники:
Материалы NASA (программа Artemis, проект LunaNet), публикации NIST и комментарии Биджунатха Патлы, данные Международного бюро мер и весов (BIPM), информация Китайского национального космического управления (CNSA) о программе «Чанъэ» и аппаратах «Цюэцяо», доклады экспертов в Сенате США о лунной гонке, данные о миссии Индии на южный полюс Луны (2023), фотоматериалы NASA, Luo Yunfei / China News Service / VCG via Getty Images.