На Землі визначити точний час не складає труднощів. Наша планета покладається на складну глобальну систему, яка поєднує атомні годинники, супутники GPS та надшвидкісні комунікаційні мережі, щоб все було синхронізовано.
Ця точність не поширюється природним чином за межі Землі. Альберт Ейнштейн довів, що час не рухається з однаковою швидкістю в усіх частинах Всесвіту. Швидкість, з якою тикає годинник, залежить від гравітації, тобто годинники працюють трохи повільніше в умовах сильнішої гравітації і швидше в умовах слабшої гравітації. Навіть координація часу на Землі є складною справою. Розширення цієї координації на всю Сонячну систему є набагато складнішим завданням. Майбутнім дослідникам, які сподіваються жити і працювати на Марсі, спочатку потрібно відповісти на одне фундаментальне питання: який час на Марсі?
Вчені вперше обчислили час на Марсі
Фізики з Національного інституту стандартів і технологій (NIST) дали точну відповідь на це питання. Їхні розрахунки показують, що в середньому годинники на Марсі йдуть на 477 мікросекунд (мільйонних часток секунди) швидше за день, ніж годинники на Землі. Ця різниця не є постійною. Через витягнуту орбіту Марса та гравітаційний вплив інших тіл різниця в часі може коливатися до 226 мікросекунд за день протягом марсіанського року.
Дослідження було нещодавно опубліковано в журналі «The Astronomical Journal» і базується на дослідженні 2024 року, в якому вчені NIST окреслили основи високоточного вимірювання часу на Місяці.
Розуміння того, як проходить час на Марсі, є надзвичайно важливим для майбутніх місій, зазначив фізик NIST Біджунат Патла. У міру того, як NASA готується до більш просунутих досліджень Марса, точне вимірювання часу буде критично важливим для навігації, комунікації та координації на міжпланетних відстанях.
«Настав саме час для Місяця і Марса, — сказав Патла. — Ми як ніколи раніше наблизилися до реалізації наукової фантастики про розширення по всій Сонячній системі».
Часовий пояс Марса
Марс функціонує за іншим графіком, ніж Земля, і це стосується не лише одного аспекту. Один марсіанський день триває приблизно на 40 хвилин довше, ніж земний, а марсіанський рік триває 687 земних днів, порівняно з 365 днями на Землі. Окрім цих очевидних відмінностей, вчені мали визначити, чи кожна секунда на Марсі проходить з такою ж швидкістю, як і на Землі.
Атомний годинник, розміщений на поверхні Марса, працюватиме нормально. Сам годинник тикатиме так само, як і на Землі. Проблема виникає, коли цей марсіанський годинник порівнюють із земним. З часом ці два годинники розходяться. Завданням вчених було точно визначити, наскільки великим буде це відхилення, подібно до визначення часового поясу планети.
Цей розрахунок виявився складнішим, ніж очікувалося. Згідно з теорією відносності Ейнштейна, гравітація змінює плин часу. Годинники сповільнюються в умовах сильнішої гравітації і прискорюються там, де гравітація слабша. Рух планети в просторі також впливає на плин часу, а орбітальна швидкість сприяє додатковим змінам.
Гравітація, орбіти та відносність
Щоб зробити розрахунки можливими, дослідники NIST вибрали конкретну точку відліку на поверхні Марса, порівнянну з рівнем моря на екваторі Землі. Використовуючи дані, зібрані за роки місій на Марс, Патла та його колега-фізик з NIST Ніл Ешбі оцінили поверхневу гравітацію на Марсі, яка приблизно в п’ять разів слабша за земну.
Гравітація Марса сама по собі не була достатньою, щоб пояснити повну картину. Сонячна система — це динамічне середовище, наповнене масивними об’єктами, які постійно тягнуть один одного. Сонце містить понад 99 % загальної маси Сонячної системи, і його гравітаційний вплив домінує над рухом планет.
Розташування Марса в Сонячній системі — його відстань від Сонця, сусіди, такі як Земля, Місяць, Юпітер і Сатурн — змушує його рухатися по більш видовженій і ексцентричній орбіті. На відміну від цього, Земля і Місяць рухаються по відносно стабільних траєкторіях. В результаті час на Місяці постійно йде на 56 мікросекунд швидше за час на Землі.
«Але для Марса це не так. Його відстань від Сонця і ексцентрична орбіта збільшують коливання часу. Проблема трьох тіл є надзвичайно складною. Зараз ми маємо справу з чотирма: Сонцем, Землею, Місяцем і Марсом», — пояснив Патла. «Важка робота виявилася складнішою, ніж я спочатку думав».
Врахувавши поверхневу гравітацію Марса, орбітальний рух і гравітаційний вплив Сонця, Землі та Місяця, Патла та Ешбі дійшли остаточного розрахунку.
Прокладаючи шлях для Інтернету Сонячної системи
Різниця в 477 мільйонних часток секунди може здатися незначною. Це приблизно одна тисячна частина часу, необхідного для моргання. Однак такі незначні відмінності мають велике значення в сучасних технологіях. Наприклад, системи зв’язку 5G вимагають точності часу в межах десятої частки мікросекунди.
Сьогодні повідомлення, що надсилаються між Землею та Марсом, досягають адресата за 4–24 хвилини, а іноді й довше. Патла порівняв цю ситуацію з комунікацією до появи телеграфу, коли рукописні листи перетинали океани на кораблях, а відповіді надходили через тижні або місяці.
Розробка надійної системи синхронізації часу між планетами може зрештою дозволити створити синхронізовані комунікаційні мережі в усій Сонячній системі.
«Настав саме час для Місяця і Марса. Ми як ніколи раніше наблизилися до реалізації наукової фантастики про розширення по всій Сонячній системі». Біджунат Патла, фізик NIST
«Якщо ви досягнете синхронізації, це буде майже як комунікація в реальному часі без втрати інформації. Вам не доведеться чекати, щоб побачити, що станеться», — сказав Патла.
Підготовка до майбутнього дослідження Марса
Повністю синхронізовані міжпланетні мережі залишаються далекою перспективою, як і постійні людські поселення на Марсі. Проте, вивчення цих проблем синхронізації зараз допомагає вченим передбачити майбутні перешкоди, зазначив Ешбі.
«Можливо, пройдуть десятиліття, перш ніж поверхня Марса буде вкрита слідами блукаючих роверів, але вже зараз корисно вивчати питання, пов’язані зі створенням навігаційних систем на інших планетах і супутниках», — сказав Ешбі. «Як і сучасні глобальні навігаційні системи, такі як GPS, ці системи будуть залежати від точних годинників, а вплив на частоту годинників можна проаналізувати за допомогою загальної теорії відносності Ейнштейна».
Патла додав, що це дослідження також сприяє розвитку фундаментальної науки. Вимірювання поведінки часу на віддалених світах дає можливість перевірити теорії Ейнштейна про спеціальну та загальну релятивістську теорію.
«Добре вперше дізнатися, що відбувається на Марсі з точки зору часу. Раніше цього ніхто не знав. Це покращує наше розуміння самої теорії, теорії того, як працюють годинники і релятивізм», — сказав він. «Плин часу є фундаментальним для теорії релятивізму: як його усвідомлювати, як обчислювати і що на нього впливає. Це може здаватися простими поняттями, але їх обчислення може бути досить складним».
