На Земле определить текущее время не составляет труда. Наша планета опирается на сложную глобальную систему, которая объединяет атомные часы, спутники GPS и сверхбыстрые сети связи, чтобы поддерживать идеальную синхронизацию всего.
Однако за пределами Земли такая точность не является естественной. Альберт Эйнштейн показал, что время не движется с одинаковой скоростью повсюду во Вселенной. Скорость хода часов зависит от гравитации, что означает, что часы идут немного медленнее в условиях более сильной гравитации и быстрее – в условиях более слабой. Даже координация времени на Земле сложна. Распространение такой координации на всю Солнечную систему – задача гораздо более амбициозная. Для будущих исследователей, надеющихся жить и работать на Марсе, сначала необходимо ответить на один фундаментальный вопрос: который час на Марсе?
Физики из Национального института стандартов и технологий (NIST) теперь предоставили точный ответ. Их расчеты показывают, что в среднем часы на Марсе идут на 477 микросекунд (миллионных долей секунды) быстрее в сутки, чем часы на Земле. Эта разница не является постоянной. Из-за вытянутой орбиты Марса и гравитационных влияний других небесных тел, разница во времени может изменяться на целых 226 микросекунд в сутки в течение марсианского года.
Исследование было недавно опубликовано в журнале «The Astronomical Journal» и основывается на работе 2024 года, в которой ученые NIST изложили основы для высокоточного хронометража на Луне. Понимание того, как течет время на Марсе, имеет решающее значение для будущих миссий, заявил физик NIST Биджунат Патла. Пока NASA готовится к более масштабному исследованию Марса, точное время будет критически важным для навигации, связи и координации на межпланетных расстояниях.
«Время пришло для Луны и Марса, – отметил Патла. – Мы максимально приблизились к реализации научно-фантастического видения расширения человеческого присутствия по всей Солнечной системе».
Марс живет по иному расписанию далеко не только в одном аспекте. Один марсианский день длится примерно на 40 минут дольше земного, а марсианский год растягивается на 687 земных дней по сравнению с 365 днями на Земле. Помимо этих очевидных различий, ученым необходимо было определить, проходит ли каждая секунда на Марсе с той же скоростью, что и на Земле.
Атомные часы, помещенные на поверхность Марса, будут функционировать нормально. Сами часы будут отсчитывать время так же, как и на Земле. Проблема возникает, когда эти марсианские часы сравниваются с земными. Со временем два хронометра начинают расходиться. Задача ученых заключалась в том, чтобы точно определить, насколько велико это расхождение, подобно определению планетарного часового пояса.
Этот расчет оказался сложнее, чем ожидалось. Согласно теории относительности Эйнштейна, гравитация изменяет ход времени. Часы замедляются в условиях более сильной гравитации и ускоряются там, где гравитация слабее. Движение планеты в космосе также влияет на ход времени, причем скорость орбитального движения вносит дополнительные изменения.
Чтобы сделать расчеты возможными, исследователи NIST выбрали конкретную точку отсчета на марсианской поверхности, сравнимую с уровнем моря на экваторе Земли. Используя данные, собранные за годы марсианских миссий, Патла и его коллега-физик NIST Нил Эшби оценили поверхностную гравитацию на Марсе, которая примерно в пять раз слабее земной.
Однако гравитации Марса было недостаточно для полной картины. Солнечная система – это динамичная среда, наполненная массивными объектами, которые постоянно притягивают друг друга. Солнце содержит более 99% общей массы Солнечной системы, и его гравитационное влияние доминирует над движением планет.
Расположение Марса в Солнечной системе – его удаленность от Солнца, близость к соседям, таким как Земля, Луна, Юпитер и Сатурн – приводит к более удлиненной и эксцентричной орбите. В отличие от этого, Земля и Луна движутся по относительно стабильным траекториям. В результате время на Луне постоянно идет на 56 микросекунд быстрее в сутки, чем на Земле.
«Но для Марса это не так. Его удаленность от Солнца и эксцентричная орбита делают колебания во времени более значительными. Задача трех тел исключительно сложна. Теперь мы имеем дело с четырьмя: Солнце, Земля, Луна и Марс, – объяснил Патла. – Тяжелая работа оказалась сложнее, чем я изначально предполагал». После учета марсианской поверхностной гравитации, орбитального движения и гравитационных эффектов Солнца, Земли и Луны Патла и Эшби пришли к своему окончательному расчету.
Разница в 477 миллионных долей секунды может показаться незначительной. Это примерно одна тысячная часть времени, которое требуется, чтобы моргнуть. Однако такие крошечные различия имеют большое значение в современных технологиях. Например, системы связи 5G требуют точности синхронизации в пределах десятой доли микросекунды.
Сегодня сообщения, отправленные между Землей и Марсом, доходят за время от четырех до 24 минут, а иногда и дольше. Патла сравнил эту ситуацию с дотелеграфной связью, когда рукописные письма пересекали океаны на кораблях, и ответы возвращались через недели или месяцы.
Разработка надежной основы для хронометража между планетами могла бы в конечном итоге создать возможность для синхронизированных сетей связи по всей Солнечной системе. «Если вы получите синхронизацию, это будет почти как связь в реальном времени без потери информации. Вам не придется ждать, чтобы увидеть, что произойдет», — сказал Патла.
Полностью синхронизированные межпланетные сети остаются в далёком будущем, как и постоянные поселения людей на Марсе. Тем не менее, изучение этих проблем синхронизации сейчас помогает ученым предвидеть будущие препятствия, отметил Эшби. «Могут пройти десятилетия, прежде чем поверхность Марса будет покрыта следами странствующих марсоходов, но уже сейчас полезно изучать проблемы, связанные с созданием навигационных систем на других планетах и лунах, – сказал Эшби. – Подобно современным глобальным навигационным системам, таким как GPS, эти системы будут зависеть от точных часов, а влияние на скорость их хода можно анализировать с помощью общей теории относительности Эйнштейна».
Патла добавил, что исследование также способствует развитию фундаментальной науки. Измерение того, как ведет себя время на далеких мирах, предоставляет новые тесты для теорий специальной и общей относительности Эйнштейна. «Впервые узнать, что происходит на Марсе с точки зрения времени, очень важно. Никто не знал этого раньше. Это улучшает наше знание самой теории – теории того, как тикают часы и как работает относительность, – сказал он. – Течение времени является фундаментальным для теории относительности: как вы его понимаете, как вы его вычисляете и что на него влияет. Эти понятия могут казаться простыми, но их расчет может быть весьма сложным».
