Следить за первым полётом астронавтов на Марс окажется гораздо сложнее, чем смотреть на часы или вести календарь. Согласно теории относительности, ход времени на Красной планете ускоряется относительно земного. Долгое время специалисты пытались точно определить разницу во временных интервалах между двумя небесными телами.
Однако недавно сотрудники Национального института стандартов и технологий (NIST) смогли вычислить точные показатели. Эти исследования, опубликованные 1 декабря в журнале The Astronomical Journal, отвечают на старый научный вопрос, открывают перспективы освоения космоса вне нашей планеты и углубляют знания человечества о физическом устройстве Вселенной.
В этой статье я расскажу вам о том, в чем заключается задача четырех тел, а также о том, какую роль играет течение времени в теории относительности. Интересно? Ну что ж, тогда начнем!
Восприятие времени весьма относительно
Люди на всей планете Земля испытывают восприятие времени практически одинаково. Независимо от местоположения, будь то город Омаха в штате Небраска или мегаполис Шанхай в Китае, мы считаем, что каждый прошедший час равнозначен предыдущему. Однако общая теория относительности Альберта Эйнштейна наглядно демонстрирует, насколько условным является такое представление. Оказывается, ход времени непосредственно зависит от силы гравитационного поля. Чем сильнее притяжение, тем медленнее идёт время.
Если представить себе гипотетического космонавта, отправившегося в увлекательное путешествие вблизи черной дыры, вернувшись назад спустя десятилетия, по своему внутреннему восприятию он обнаружил бы, что на Земле прошло значительно больше времени, а его дети стали старше своего родителя. Этот удивительный парадокс наглядно показывает нам, что привычное чувство равномерного течения времени весьма обманчиво и ограничено рамками нашего обычного опыта.
Хотя сила тяжести Земли несопоставима с мощью гравитационного поля чёрной дыры, современные технологии позволяют учёным фиксировать едва заметные изменения хода времени даже в пределах нашей планеты. Например, житель высокогорного района, расположенного на вершине горы Эверест, постепенно будет стареть чуть-чуть быстрее, нежели обитатель прибрежной зоны, расположенной на уровне моря. Хотя эта разница ничтожна и составляет лишь несколько микросекунд, её существование научно доказано.
Такие явления вовсе не ограничиваются областью чистой теории. Спутники системы глобального позиционирования (GPS), вращающиеся примерно на расстоянии 12 544 миль от поверхности Земли, демонстрируют ощутимое опережение времени, исчисляемое примерно 45,7 микросекундами за сутки по сравнению с обычными земными часами. Подобное расхождение оказывает значительное влияние на точность функционирования спутниковых навигационных и коммуникационных сетей, заставляя инженеров регулярно вносить необходимые поправки.
Проблема четырех тел
Марс обладает гравитацией, которая приблизительно в пять раз ниже земной, однако этот показатель не единственно значимый при изучении особенностей хода времени на соседней планете. Немаловажную роль играют также скорость вращения и масса соседних космических объектов. Несмотря на то, что марсианский день длится дольше земного почти на 40 минут, именно сильно вытянутый эллиптический путь длиной в 687 суток создаёт трудности для точного измерения времени. Эта задача заметно усложняется по сравнению с устойчивым движением Луны и Земли вокруг Солнца, образуя классическую проблему динамики трех тел.
Физик Национального института стандартов и технологий (NIST) и соавтор научного исследования Биджунат Патла поделился откровениями о непростой задаче изучения межпланетарного времени. По словам ученого, если проблема взаимодействия трех небесных тел уже сама по себе представляет собой сложную головоломку, то включение четвертого тела, в данном случае Марса, существенно повышает уровень сложности расчетов.
«Поднимать тяжести оказалось куда труднее, чем я предполагал ранее», - подчеркнул исследователь, комментируя свою работу. Ведь теперь специалистам приходится учитывать взаимное воздействие сразу четырех массивных объектов: Солнца, Земли, Луны и Марса, что требует глубокого понимания законов движения и новых подходов к решению поставленной задачи.
Для решения проблемы Биджунат Патла совместно с физиком из Национального института стандартов и технологий Нилом Эшби определили исходную точку на Марсе, соответствующую уровню моря на земном экваторе. Учтя все внешние астрономические воздействия на Красную планету, исследователи пришли к выводу, что время там движется на 477 микросекунд быстрее, чем на Земле. Для сравнения, это примерно в тысячу раз короче, чем обычное моргание человеческого глаза.
Накапливание задержек может обернуться серьезной проблемой
Хотя небольшие временные отклонения кажутся незначительными по обычным меркам, они способны суммироваться. Так, сети пятого поколения требуют точности вплоть до десятых долей микросекунды. Сейчас обмен информацией с аппаратами на Марсе, такими как ровер NASA Curiosity, занимает зачастую более 24 минут. В перспективе размещение промежуточных передатчиков позволит существенно уменьшить временную задержку между командным центром и космонавтами, расположенными на огромном удалении друг от друга.
Патла отметил следующее: «При наличии идеальной синхронизации передача данных будет происходить практически мгновенно, обеспечивая реальную визуализацию происходящего без потерь информации. Таким образом, пользователям не придется тратить дополнительное время на ожидание обновления сведений, позволяя наблюдать события практически одновременно с их развитием».
По мнению Патлы, пройдёт ещё немало десятилетий, пока человечество начнёт активно осваивать Марс, однако его исследование способствует другим важным открытиям. Совсем недавно NIST представил проект хронометрирования Луны. Новые расчёты для Марса смогут усовершенствовать начальные разработки и послужить основой для аналогичных методов на других планетах и спутниках.
Патла подчеркнул значимость восприятия и расчета времени в рамках теории относительности: «Именно оно определяет многие процессы во Вселенной. Как именно мы ощущаем и оцениваем ход времени, какие факторы влияют на его течение — всё это имеет огромное значение. Наши исследования приближают нас к фантастической мечте расширения границ человеческой цивилизации далеко за пределы Земли, фактически создавая научную основу для дальнейшего покорения Солнечной системы».