Теория относительности Эйнштейна показывает, что время на Луне течет быстрее

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.