Времето тече по-бързо на Луната, показва ново изследване върху теорията на относителността на Айнщайн

Гласувай за блога

Използвайки общата теория на относителността на Айнщайн, физиците установиха, че часовниците на Луната ще работят с 56 микросекунди по-бързо от часовниците на Земята. Това откритие ще помогне на бъдещите лунни мисии да се ориентират.

Астронавтите от Аполо 11 поставиха лазерния ретрорефлектор на повърхността на Луната. Това устройство е предназначено да тества теорията на Айнщайн за общата теория на относителността, което също е необходимо за разбирането на различните скорости, с които работят часовниците на Луната спрямо Земята. (Изображение: НАСА; сканирано от НАСА Джонсън)

Колко е часът на Луната?

През април 2024 г. Белият дом отправи предизвикателство към учените да установят стандарт за лунно време, очаквайки засилено международно присъствие на Луната и потенциални човешки бази като част от инициативата Artemis на НАСА. Истинският въпрос, който озадачава, не е "Колко е часът?" а по-скоро "Колко бързо минава времето?"

Колко време показва часовникът може да бъде зададено от всеки хронометрист, но физиката определя колко бързо минава времето. В началото на 20-ти век Алберт Айнщайн установил, че двама наблюдатели няма да се споразумеят колко е дълъг един час, ако не се движат с еднаква скорост в една и съща посока. Това несъгласие съществува и между човек на земната повърхност и друг в орбита или на Луната.

„Ако сме на Луната, часовниците ще тиктакат по различен начин [отколкото на Земята]“, каза теоретичният физик Бижунат Патла от Националния институт за стандарти и технологии (NIST) в Боулдър, Колорадо. Той отбеляза, че движението на Луната спрямо нашето кара часовниците да работят по-бавно от земния стандарт, но по-ниската му гравитация води до по-бързо движение на часовниците. „Така че това са два конкуриращи се ефекта и крайният резултат от това е отклонение от 56 микросекунди на ден.“ (Това е 0,000056 секунда.)

Патла и неговият колега физик от NIST Нийл Ашби използваха общата теория на относителността на Айнщайн, за да изчислят това число, което е подобрение в сравнение с предишни анализи. Те публикуваха резултатите си в Astronomical Journal.

Въпреки че разликата от 56 микросекунди е малка по човешките стандарти, тя е значителна, когато става въпрос за насочване на множество мисии с изключителна точност или комуникация между Земята и Луната.

„Фундаменталното нещо е безопасността на навигацията в контекста на лунна екосистема, когато имате много повече активност на Луната, отколкото имате сега“, каза Черил Грамлинг, системен инженер в Центъра за космически полети Годард на НАСА. „Когато става дума за навигация, отклонение от 56 микросекунди за един ден между часовник на Луната и [часовник] на Земята е голяма разлика, така че трябва да се съобразите с това.“

Съвременната прецизна навигация разчита на синхронизиране на часовници, което включва координация с помощта на радиовълни, които се движат със скоростта на светлината. Грамлинг отбеляза, че светлината изминава 30 сантиметра (11,8 инча) за 1 наносекунда (0,001 микросекунда) – невероятно кратко време според човешките стандарти – така че неотчитането на несъответствието от 56 микросекунди може потенциално да доведе до навигационни грешки до 17 километра на ден. Дори малка част от това е неприемливо, когато става въпрос за мисии Artemis, които ще изискват да се знае позицията на всеки марсоход, спускаем апарат или астронавт с точност до 10 метра по всяко време.

Аз съм свободен! Свободно падане!

Ключов резултат от теорията на относителността е, че няма такова нещо като абсолютно време. Часовник на повърхността на Земята ще тиктака по-бавно от часовник в орбита поради гравитационни ефекти, поради което GPS сателитите трябва да вземат предвид относителността. (Координираното универсално време и други стандарти на Земята използват мрежи от часовници, които също коригират малки гравитационни разлики на различни височини.)

Определянето на разликата в отчитането на времето между Земята и Луната добавя допълнителни усложнения. Луната се движи спрямо всяко място на земната повърхност поради нашето въртене и нейната орбита около нас, което означава, че всеки лунен часовник ще изглежда по-бавен от наша гледна точка. Освен това всеки часовник на Луната се влияе от гравитацията на Луната и Земята. (Изкуствените спътници не са достатъчно големи или масивни, за да имат значение собствените им гравитационни ефекти.)

Правилното боравене с тези ефекти на относителността изисква избор на подходяща референтна рамка. Ашби и Патла се справиха с проблема, като признаха, че системата Земя-Луна е в свободно падане - движейки се само под въздействието на гравитацията на Слънцето - като всяка от тях обикаля около общия си център на маса. Това им позволи да формулират приноса на всяко усложнение: въртенето на всяко тяло, приливните сили, отклоненията във формата от перфектните сфери и т.н.

Ашби и Патла също извършиха изчислението за гравитационно стабилни позиции в орбита между Земята и Луната, известни като точки на Лагранж, които могат да се използват за комуникационни релейни сателити.

Междувременно теоретичният физик Сергей Копейкин от Университета на Мисури и астрономът Джордж Каплан от Военноморската обсерватория на САЩ изчислиха независимо 56-микросекунди времево изместване между Земята и Луната. Те също така изчисляват по-малки, периодични колебания в тактовите честоти, дължащи се на малки вариации на приливната сила от Слънцето и Юпитер, ефекти на ниво наносекунда, които въпреки това трябва да бъдат отчетени, за да се обхване 10-метрова скала или по-добра навигационна точност.

„Общността [на относителността] ни направи страхотна услуга, като публикува цялата тази работа“, каза Грамлинг. „Сега имаме какво да донесем на цялата международна общност от експерти по времето и да кажем: „Това ли е моделът, който можем да стандартизираме за Луната?““

Ще минат много години или десетилетия, преди Луната да бъде населена с достатъчно хора и роботи, за да се нуждае от това ниво на отчитане на времето. Учените и инженерите обаче признават колко е важно да има лунно стандартно време много преди да е необходимо. Сега те направиха тази трудна първа стъпка към това да разберат колко е часът на Луната.

Източник за статията

1 Коментари

По-нова По-стара