Используя общую теорию относительности Эйнштейна, физики обнаружили, что часы на Луне будут идти на 56 микросекунд быстрее, чем часы на Земле. Это открытие поможет будущим лунным миссиям ориентироваться.
В апреле 2024 года Белый дом бросил вызов ученым, поставив задачу установить стандарт лунного времени, предвидя расширение международного присутствия на Луне и потенциальные человеческие базы в рамках инициативы NASA Artemis. Настоящий вопрос, над которым ломают голову, не «Который час?», а скорее «Как быстро идет время?»
Время, которое показывают часы, может установить любой хронометрист, но физика определяет, как быстро идет время. В начале 20-го века Альберт Эйнштейн определил, что два наблюдателя не придут к единому мнению о том, сколько длится час, если они не движутся с одинаковой скоростью в одном направлении. Это разногласие также сохраняется между человеком на поверхности Земли и другим человеком на орбите или на Луне.
«Если мы на Луне, часы будут идти иначе, чем на Земле», — сказал физик-теоретик Биджунат Патла из Национального института стандартов и технологий (NIST) в Боулдере, штат Колорадо. Он отметил, что движение Луны относительно наших заставляет часы идти медленнее, чем на Земле, но ее более низкая гравитация приводит к тому, что часы идут быстрее. «Таким образом, это два конкурирующих эффекта, и конечный результат этого — дрейф в 56 микросекунд в день». (Это 0,000056 секунды.)
Патла и его коллега-физик из NIST Нил Эшби использовали общую теорию относительности Эйнштейна для вычисления этого числа, что является улучшением по сравнению с предыдущими анализами. Они опубликовали свои результаты в Astronomical Journal.
Хотя по человеческим меркам разница в 56 микросекунд невелика, она существенна, когда речь идет о точном управлении несколькими миссиями или о связи между Землей и Луной.
«Основополагающим является безопасность навигации в контексте лунной экосистемы, когда на Луне гораздо больше активности, чем сейчас», — сказала Шерил Грэмлинг , системный инженер в Центре космических полетов имени Годдарда в NASA. «Когда дело касается навигации, дрейф в 56 микросекунд в течение дня между часами на Луне и часами на Земле — это большая разница, поэтому вам нужно это учитывать».
Современная точная навигация основана на синхронизации часов, что подразумевает координацию с использованием радиоволн, которые распространяются со скоростью света. Грэмлинг отметил, что свет проходит 30 сантиметров за 1 наносекунду (0,001 микросекунды) — невероятно короткий промежуток времени по человеческим меркам — поэтому неспособность учесть расхождение в 56 микросекунд может потенциально привести к навигационным ошибкам размером до 17 километров в день. Даже малая часть этого неприемлема, когда речь идет о миссиях Artemis, которые потребуют знания местоположения каждого марсохода, посадочного модуля или астронавта с точностью до 10 метров в любое время.
Ключевым результатом теории относительности является то, что не существует такого понятия, как абсолютное время. Часы на поверхности Земли будут идти медленнее, чем на орбите, из-за гравитационных эффектов, поэтому спутники GPS должны учитывать относительность. (Всемирное координированное время и другие стандарты на Земле используют сети часов, которые также корректируют крошечные гравитационные различия на разных высотах).
Определение разницы в хронометрировании между Землей и Луной добавляет дополнительных сложностей. Луна движется относительно любой точки на поверхности Земли из-за нашего вращения и своей орбиты вокруг нас, что означает, что любые лунные часы будут казаться идущими медленнее с нашей точки зрения. Кроме того, любые часы на Луне подвержены влиянию гравитации Луны и Земли. (Искусственные спутники не настолько велики или массивны, чтобы их собственные гравитационные эффекты имели значение.)
Для правильного обращения с этими эффектами относительности требуется выбрать подходящую систему отсчета. Эшби и Патла взялись за проблему, признав, что система Земля-Луна находится в свободном падении — двигаясь только под влиянием гравитации Солнца — и каждая вращается вокруг своего общего центра масс. Это позволило им сформулировать вклад каждого осложнения: вращение каждого тела, приливные силы, отклонения формы от идеальных сфер и т. д.
Эшби и Патла также выполнили расчеты гравитационно-устойчивых положений на орбите между Землей и Луной, известных как точки Лагранжа, которые можно использовать для спутников-ретрансляторов связи.
Тем временем физик-теоретик Сергей Копейкин из Университета Миссури и астроном Джордж Каплан из Военно-морской обсерватории США независимо друг от друга вычислили сдвиг времени между Землей и Луной на 56 микросекунд. Они также вычислили меньшие периодические колебания хода часов из-за крошечных изменений приливной силы от Солнца и Юпитера, эффекты наносекундного уровня, которые, тем не менее, необходимо учитывать для получения 10-метровой или лучшей навигационной точности.
«Релятивистское сообщество оказало нам большую услугу, опубликовав всю эту работу», — сказал Грэмлинг. «Теперь у нас есть что предложить всему международному сообществу экспертов по времени и сказать: «Это та модель, которую мы можем стандартизировать для Луны?»»
Пройдет много лет или десятилетий, прежде чем Луна будет заселена достаточным количеством людей и роботов, чтобы нуждаться в таком уровне хронометража. Однако ученые и инженеры понимают, насколько важно иметь стандартное лунное время задолго до того, как это станет необходимым. Теперь они сделали этот трудный первый шаг к знанию времени на Луне.
