Который сейчас час на Марсе? Физики высчитали точную разницу с Землей

Время — величина переменная. В масштабах внутри нашей планеты это, конечно, трудно прочувствовать, но как только мы выходим за пределы земной орбиты, игнорирование этого факта в расчетах приводит к ошибкам.

Эйнштейн предсказал это свойство еще более ста лет назад в своей теории относительности. Сегодня же он подтвержден и поправка на замедление используется и в GPS системах, и в планировании межпланетных миссий.

Суть, в принципе, понятна. Но насколько велико расхождение во времени между Землей, и, например, Марсом? Новое исследование Нила Эшби и Биджуната Патлы из Национального института стандартов и технологий (NIST) вызвалось разобраться в вопросе.

Почему время вообще течет по-разному?

Здесь работают два основных физических принципа, которые тянут время в разные стороны.

Первый — гравитационное замедление времени (Общая теория относительности). Чем сильнее гравитация, тем медленнее течет время. Земля массивнее Марса, и она находится ближе к Солнцу. Гравитационный потенциал здесь глубже. Это значит, что на Земле время идет медленнее, чем на Марсе.

Второй — релятивистское замедление времени (Специальная теория относительности). Чем быстрее вы движетесь, тем медленнее течет время. Земля и Марс движутся вокруг Солнца с разными скоростями.

Марс, как известно, легче, а его гравитация слабее, и еще он дальше от Солнца. Логично предположить, что время там идет быстрее.

Насколько велика погрешность?

Часы на поверхности Марса (на ареоиде — марсианском аналоге уровня моря) идут быстрее часов на поверхности Земли (на геоиде) в среднем на 477 микросекунд в день.

Как будто совсем мало, но надо углубиться в расчеты.

Для систем навигации время — это расстояние. Сигнал движется со скоростью света (около 300 000 км/с). Ошибка в 1 микросекунду дает погрешность в местоположении в 300 метров. Ошибка в 477 микросекунд — увод координат на 143 километра каждые сутки.

Если не учесть эту поправку, то спускаемый марсоход высадится сильно дальше от расчетного места посадки. Так что синхронизация часов в этом случае — вопрос выживания миссии.

Почему одной цифры недостаточно?

Если бы разница была постоянной (ровно 477 микросекунд), мы бы просто синхронизировали часы с поправкой и забыли об этом. Но на деле всё сильно сложнее.

Марс вращается по орбите с эксцентриситетом 0,093. Это почти в пять раз больше, чем у Земли (0,017). Это значит, что орбита Марса — заметный эллипс. Расстояние от Марса до Солнца постоянно меняется, а значит, меняется и гравитационный потенциал, в котором находятся часы.

Исследование показывает: скорость течения времени на Марсе плавает. Амплитуда этих колебаний составляет 226 микросекунд в день в течение марсианского года.

Так что инженеры не могут зашить в компьютер одну константу. Нужен динамический алгоритм, который учитывает положение планет в реальном времени.

Что такое «солнечные приливы» и зачем они нужны?

Авторы работы обнаружили, что для точности уровня 50 наносекунд (это стандарт для современной космической навигации) нужно учитывать влияние солнечных приливов на систему Земля-Луна.

Гравитация Солнца не просто держит Землю на орбите. Она деформирует саму структуру движения Земли и Луны вокруг общего центра масс, что создает дополнительные возмущения.

Эшби и Патла разработали формализм, который учитывает эти приливные силы. Без него модель расходится с реальностью на сотни наносекунд.

Что это значит для колонизации?

Мы не можем полагаться на земное время при работе на Марсе. Задержка сигнала составляет от 3 до 22 минут в одну сторону. Плюс релятивистский сдвиг, о котором мы говорили выше. Так что в будущем придется создать независимый стандарт времени для Марса, аналогичный земному UTC. Он будет привязан к «марсианской секунде» и учитывать местные гравитационные условия.

Исследование NIST закладывает фундамент для инфраструктуры. Прежде чем отправить людей на Марс, мы должны научиться отвечать на простой вопрос: «Который час?». И в межпланетных масштабах ответ на него требует сложного расчета с учетом массы параметров.

Главный вывод?

Реальность не интуитивна. Наш мозг эволюционировал в условиях, где время кажется абсолютным. Но для работы в космосе нам нужно принять факт: время — это гибкая величина, зависящая от массы планеты под вашими ногами и скорости вашего полета.

Источник: The Astronomical Journal