На Земле точно узнать, который час, мы сегодня можем благодаря сложной системе измерения времени с помощью атомных часов, спутников GPS и высокоскоростных телекоммуникационных сетей. Однако Эйнштейн показал нам, что часы во Вселенной тикают с разной скоростью. Часы будут идти немного быстрее или медленнее в зависимости от гравитации в окружающей их среде, что затрудняет синхронизацию наших часов здесь, на Земле, не говоря уже о всей Солнечной системе. Если люди хотят обосноваться на Красной планете, ученым нужно знать, который час на Марсе.
Физики из Национального института стандартов и технологий (NIST) впервые дали точный ответ. В среднем часы на Марсе идут на 477 микросекунд (миллионных долей секунды) в сутки быстрее, чем на Земле. Однако эксцентричная орбита Марса и гравитация его небесных соседей могут увеличивать или уменьшать это значение на целых 226 микросекунд в сутки в течение марсианского года.
Эти результаты, только что опубликованные в The Astronomical Journal, следуют за статьей 2024 года, в которой физики NIST разработали план точного хронометража на Луне.
По словам физика из Национального института стандартов и технологий США Биджуната Патлы, понимание того, как будут идти часы на Марсе, является важным шагом на пути к будущим космическим миссиям. Поскольку NASA планирует исследовательские миссии на Марс, понимание того, как течет время на нашей соседней планете, поможет синхронизировать навигацию и связь во всей Солнечной системе.
Марсианские дни и годы длиннее земных. Сутки на планете, то есть полный оборот вокруг своей оси, на 40 минут длиннее земных, а полный оборот вокруг Солнца занимает 687 дней, в то время как на Земле это происходит за 365 дней. Но ученым нужно было знать, насколько быстрее или медленнее проходит каждая секунда на Марсе по сравнению с Землей.
Если бы вы высадились на Марсе с атомными часами, они бы шли так же, как и на Земле. Но если вы сравните марсианские механические или электронные часы с земными, они будут идти не синхронно. Задача состоит в том, чтобы определить, насколько марсианское время отличается от земного, почти как при вычислении разницы в часовых поясах.
Это оказалось гораздо сложнее, чем ожидали физики из Национального института стандартов и технологий США. Теория относительности Эйнштейна гласит, что сила гравитации влияет на течение времени. Там, где гравитация сильнее, часы идут медленнее, а там, где гравитация слабее, — быстрее. Скорость движения планеты по орбите также приводит к тому, что часы идут медленнее или быстрее.
NIST выбрал точку на поверхности Марса в качестве ориентира, что-то вроде уровня моря на экваторе на Земле. Благодаря многолетним данным, собранным в ходе миссий на Марс, Биджунат Патла и его коллега-физик NIST Нил Эшби смогли предельно точно оценить силу тяжести на поверхности планеты, которая в пять раз слабее земной.
Но им нужно было учитывать не только гравитацию Марса. В Солнечной системе есть и другие массивные тела, которые притягивают друг друга. На долю Солнца приходится более 99% массы нашей системы. Положение Марса в Солнечной системе — его расстояние от Солнца, от таких соседей, как Земля, Луна, Юпитер и Сатурн, — заставляет его двигаться по более эксцентричной, вытянутой орбите. Орбиты Земли и Луны относительно постоянны; время на Луне всегда на 56 микросекунд быстрее, чем на Земле.
Но в случае с Марсом это не так. Из-за его удаленности от Солнца и эксцентричной орбиты колебания времени больше. Чрезвычайно сложна даже задача трех тел. Здесь же ученым пришлось иметь дело с четырьмя: Солнцем, Землей, Луной и Марсом.
Приняв во внимание все эти факторы — гравитацию на поверхности Марса, эксцентрическую орбиту Марса, влияние Солнца, Земли и Луны на Марс, — Патла и Эшби пришли к долгожданному решению.
Может показаться, что 477 микросекунд — это не так уж много, ведь это примерно тысячная доля времени, за которое мы моргаем. Но учет малейших временных различий — ключевой фактор для развития коммуникационных сетей. Например, сети 5G должны обеспечивать точность до десятых долей микросекунды.
В настоящее время связь между Землей и Марсом задерживается на срок от четырех до 24 минут (иногда больше) . Это почти как дотелеграфная связь, люди доставляли рукописные письма на корабль, который пересекал океан, а затем неделями или месяцами ждали, пока другой корабль доставит ответ. Наличие системы синхронизации между планетами открывает путь к созданию высокоскоростных сетей на огромных расстояниях.
Эти сети далеки от реальности, как и долгосрочные миссии людей и роботов на Марс, отметил Эшби. Изучение этих вопросов помогает ученым подготовиться ко всем возможным переменным, с которыми они столкнутся.
Возможно, пройдут десятилетия, прежде чем поверхность Марса покроется следами марсоходов, но уже сейчас полезно изучать вопросы, связанные с созданием навигационных систем на других планетах и спутниках. Как и современные глобальные навигационные системы, такие как GPS, эти системы будут зависеть от точности часов, а влияние на скорость хода часов можно проанализировать с помощью общей теории относительности Эйнштейна.Нил Эшби
Недавно в России создали молекулярные часы, которые точнее атомных