Автор: Джеки Уоттлз
Возможно, самая большая, поражающая воображение причуда нашей Вселенной — это проблемы с временем: на вершине горы секунды идут чуть быстрее, чем в долинах Земли.
Для практических целей большинству людей не нужно беспокоиться об этих различиях. Но возобновившаяся космическая гонка заставила Соединенные Штаты и их союзников, а также Китай стремиться к созданию постоянных поселений на Луне, и это вновь вывело на первый план идиосинкразию времени.
На лунной поверхности один земной день будет примерно на 56 микросекунд короче, чем на нашей родной планете — крошечное число, которое может привести к значительным несоответствиям. В настоящее время НАСА и его международные партнеры работают над решением этой проблемы.
Ученые не просто хотят создать на Луне новый «часовой пояс», как предполагают некоторые заголовки, отмечает Шерил Грамлинг, руководитель отдела лунного положения, навигации, хронометража и стандартов в Центре космических полетов НАСА имени Годдарда в Мэриленде. Скорее, космическое агентство и его партнеры стремятся создать совершенно новую «шкалу времени» или систему измерений, которая учитывала бы тот факт, что на Луне секунды идут быстрее.
Цель агентства — совместно с международными партнерами разработать новый метод отслеживания времени, специально для Луны, который космические державы согласятся соблюдать.
В недавнем меморандуме Белого дома НАСА поручено до 31 декабря разработать планы по созданию новой шкалы времени, назвав ее «основополагающей» для возобновления усилий США по исследованию лунной поверхности. В меморандуме также содержится просьба к НАСА внедрить такую систему к концу 2026 года, когда космическое агентство намерено вернуть астронавтов на Луну впервые за пять десятилетий.
Для мировых хронометристов ближайшие месяцы могут стать решающими для выяснения того, как точно вести лунное время — и достижения соглашения о том, как, когда и где размещать часы на Луне. Такие рамки будут иметь решающее значение для людей, посещающих нашего ближайшего небесного соседа, подчеркнула Грамлинг в интервью CNN.
Астронавты на Луне, например, будут покидать свои жилища, чтобы исследовать поверхность и проводить научные изыскания. Они также будут общаться друг с другом или ездить на луноходах, находясь на лунной поверхности.
«Когда они будут ориентироваться на Луне, — говорит Грамлинг, — время должно быть относительно Луны».
Краткая история земного времени
Простые солнечные часы или каменные сооружения, которые отслеживают тени при прохождении солнца над головой, отмечают ход дня так же, как на Земле смена фаз Луны позволяет фиксировать прохождение месяца. Эти природные хронометры помогают людям соблюдать график на протяжении тысячелетий. Но, пожалуй, с тех пор как в начале XIV века появились механические часы, часовщики стали все более придирчиво относиться к точности.
Точное измерение секунд также усложнилось в начале 1900-х годов благодаря Альберту Эйнштейну, физику немецкого происхождения, который потряс научное сообщество своими теориями специальной и общей относительности.
«Черт бы побрал этого Эйнштейна — он придумал общую относительность, а из нее вытекает множество странных вещей», — говорит доктор Брюс Беттс, главный научный сотрудник Планетарного общества, некоммерческой организации, занимающейся вопросами космоса. «Одна из них заключается в том, что гравитация замедляет время».
Общая теория относительности сложна, но в общих чертах она объясняет, как гравитация влияет на пространство и время.
Представьте, что наша Солнечная система — это кусок ткани, подвешенный в воздухе. Эта ткань — само пространство и время, которые — согласно теории Эйнштейна — неразрывно связаны между собой. А каждое небесное тело в Солнечной системе, от Солнца до планет, похоже на тяжелый шар, лежащий на ткани. Чем тяжелее шар, тем более глубокую пробоину он создает, искривляя пространство и время.
Даже идея земной «секунды» — это придуманная человеком концепция, которую сложно измерить. А теория общей относительности Эйнштейна объясняет, почему время идет медленнее на более низких высотах — потому что гравитация сильнее действует вблизи массивного объекта (такого, как наша родная планета).
Ученые нашли современное решение всех сложностей теории относительности для хронометража на Земле: чтобы учесть незаметные различия, они установили несколько сотен атомных часов в разных точках земного шара. Атомные часы — это сверхточные приборы, которые используют вибрацию атомов для измерения хода времени, и эти часы — в соответствии с теориями Эйнштейна — тикают тем медленнее, чем ближе к поверхности Земли они расположены.
Показания атомных часов по всему миру могут быть усреднены для получения широкого, но максимально точного представления о времени на планете Земля в целом, что дает нам универсальное координированное время, или UTC. Тем не менее, время от времени «високосные секунды» учитываются, чтобы UTC соответствовало небольшим изменениям в скорости вращения Земли.
По словам Кевина Коггинса, заместителя помощника администратора и руководителя программы космической связи и навигации НАСА, этот методичный учет времени помогает современному миру двигаться по кругу — образно говоря.
«Если вы изучали время на Земле, то понимаете, что оно является важнейшим фактором для всего: экономики, продовольственной безопасности, торговли, финансового сообщества, даже нефтеразведки. Все используют точные часы» — подчеркивает Коггинс. «Это касается всего, что имеет значение в современном обществе».
Пространство, время: постоянный вопрос
Если на вершинах гор время движется иначе, чем на берегу океана, то можно представить, что чем дальше от Земли вы удаляетесь, тем все становится еще более причудливым.
И это еще больше усложняет ситуацию: согласно теории специальной относительности Эйнштейна, время идет тем медленнее, чем быстрее движется человек или космический корабль.
Астронавтам на Международной космической станции, например, повезло, отметил в телефонном интервью доктор Биджунатх Патла, физик-теоретик из Национального института стандартов и технологий США. Хотя космическая станция вращается на высоте около 200 миль (322 километра) над поверхностью Земли, она также движется с большой скоростью — 16 раз в день огибает планету, — поэтому эффекты относительности в некоторой степени нивелируют друг друга. По этой причине астронавты на орбитальной лаборатории могут легко использовать земное время, чтобы придерживаться графика.
Для других миссий это не так просто. К счастью, у ученых уже есть десятилетия опыта борьбы со сложностями. Например, космические корабли оснащены собственными часами, называемыми осцилляторами. «Они поддерживают собственное время», — отмечает Грамлинг. «И большинство наших операций с космическими аппаратами — даже с теми, которые находятся на Плутоне или в поясе Койпера, как New Horizons, — (зависят от) наземных станций, которые находятся на Земле. Поэтому все, что они делают, должно коррелировать с UTC».
Но эти космические корабли также полагаются на свое собственное время. Например, аппараты, путешествующие вглубь Солнечной системы, должны знать, основываясь на собственной шкале времени, когда они приближаются к планете, чтобы в случае необходимости использовать это планетарное тело в навигационных целях.
В течение 50 лет ученые также могли наблюдать за атомными часами, установленными на борту спутников GPS, которые вращаются вокруг Земли на расстоянии около 12 550 миль (20 200 километров) — это примерно одна девятнадцатая расстояния между нашей планетой и Луной.
По словам Патлы, изучение этих часов дало ученым отличную отправную точку для дальнейшей экстраполяции, поскольку они стремятся установить новую шкалу времени для Луны.
«Мы можем легко сравнить часы (GPS) с часами на земле», — говорит Патла, добавляя, что ученые нашли способ плавно замедлить часы GPS, заставив их тикать в соответствии с земными часами. «Очевидно, что это не так просто, как кажется, но это проще, чем устраивать беспорядок».
Однако для Луны ученые, скорее всего, не будут стремиться замедлить ход часов. По словам Патлы, ставшего соавтором работы, в которой подробно описана схема лунного времени, они надеются точно измерить лунное время, как оно есть, и при этом обеспечить его соотнесение с земным временем.
В исследовании также была предпринята попытка точно определить, насколько далеки друг от друга лунное и земное время, так как по разным оценкам они колеблются между 56 и 59 микросекундами в день.
Лунный часовой механизм
Что ученые знают наверняка, так это то, что им необходимо доставить на Луну приборы для точного хронометража.
Кто именно будет платить за лунные часы, какого типа они будут и где их расположат — все эти вопросы пока остаются в подвешенном состоянии, говорит Грамлинг. «Мы должны все это проработать», — сказала она. «Я не думаю, что мы уже понимаем. Думаю, это будет сочетание нескольких разных вещей».
Атомные часы, отметила Грамлинг, отлично подходят для долгосрочной стабильности, а кристаллические осцилляторы имеют преимущество для краткосрочной. «Никогда не стоит доверять одним часам. Да и двум тоже».
Часы разных типов можно было бы разместить внутри спутников, вращающихся вокруг Луны, или, возможно, в точных местах на лунной поверхности, которые однажды посетят астронавты.
Что касается цены, то, по словам Грамлинг, атомные часы, достойные космических путешествий, могут стоить около нескольких миллионов долларов, а кристаллические осцилляторы — значительно дешевле. Но, по словам Патлы, результат стоит того.
«Очень дешевые осцилляторы могут иметь погрешность в миллисекунды или даже десятки миллисекунд», — добавил он. «А это важно, потому что для целей навигации нам нужно, чтобы часы были синхронизированы с точностью до 10 наносекунд».
Сеть часов на Луне может работать согласованно, чтобы информировать о новой лунной шкале времени, как это делают атомные часы для UTC на Земле. (Грамлинг добавила, что на Луне не будет разных часовых поясов. «Были разговоры о создании разных зон, пока ответ «нет». Но это может измениться в будущем).
Новая шкала времени станет основой целой лунной сети, которую НАСА и его союзники назвали LunaNet.
«Можно представить LunaNet как интернет — или интернет и глобальную навигационную спутниковую систему вместе взятые», — подчеркивает специалист. Это «система стандартов, которым будут следовать участники LunaNet (такие как НАСА или Европейское космическое агентство)». «И вы можете считать, что участники проекта — это, возможно, ваш интернет-провайдер».
Создание такой структуры означает привлечение к работе большого количества людей по всему миру. Пока, по словам Грамлинг, переговоры с американскими партнерами были «очень, очень позитивными».
Неясно, удастся ли НАСА и его партнерам по этой работе, в число которых входит Европейское космическое агентство, получить поддержку со стороны стран, которые не входят в число союзников США, например, Китая. Грамлинг отметила, что эти переговоры будут вестись через международные органы, устанавливающие стандарты, такие как Международный астрономический союз.
Совсем другой менталитет
Точный часовой механизм — это одно дело. А вот как будущие астронавты, живущие и работающие на лунной поверхности, будут воспринимать время — это совсем другой вопрос.
На Земле наше представление об одном дне определяется тем, что планета совершает один оборот каждые 24 часа, что обеспечивает в большинстве мест постоянный цикл дневного света и темных ночей. На Луне же экватор освещается солнцем примерно 14 дней, после чего наступает 14 дней темноты.
«На Луне все совсем по-другому», — подчеркивает Беттс. «И (НАСА) говорит о высадке астронавтов в очень интересном южнополярном регионе (Луны), где есть постоянно освещенные и постоянно затененные области. Так что это совсем другая история».
Это будет верно независимо от того, какое время будет отображаться на часах астронавтов.
Тем не менее точное времяисчисление важно не только для научного понимания хода времени на Луне, но и для создания всей инфраструктуры, необходимой для осуществления миссий.
По словам Грамлинг, прелесть создания шкалы времени с нуля заключается в том, что ученые могут взять все, что они узнали о хронометраже на Земле, и применить это к новой системе на Луне.
И если специалисты смогут сделать это правильно на Луне, добавила она, они смогут сделать это правильно и позже, если НАСА выполнит свою задачу по отправке астронавтов глубже в Солнечную систему.
«Мы очень хотим осуществить это на Луне, узнать, чему мы можем научиться, чтобы быть готовыми сделать то же самое на Марсе или других небесных телах».
Оригинал: CNN
