Если вы отправляетесь на Марс, лучше всего взять с собой баночку антивозрастного крема, потому что там вы будете стареть быстрее, чем на Земле, согласно теории относительности. Это всего лишь 477 миллионных секунды в сутки, но это время, как правило, имеет тенденцию суммироваться.
Если вам удавалось не заснуть на более сложных уроках физики, вы, вероятно, наткнулись на теорию относительности Альберта Эйнштейна, которая наголову разбила ньютоновскую модель Вселенной, превратив её из универсального описания законов физики в всего лишь частный случай.
Понять теорию относительности невозможно, не вдаваясь в довольно сложную математику, от которой я вас избавлю. Однако за эти годы было предпринято множество попыток объяснить эту концепцию простыми словами, которые являются разумным, хотя и чрезмерно упрощённым приближением.
Одна из популярных тем теории относительности — это взаимосвязь пространства и времени, где время — это четвёртое измерение, в котором существуют три измерения пространства, а течение времени полностью зависит от вашей точки зрения.
В 1956 году Роберт Хайнлайн опубликовал свой юношеский роман «Время для звёзд» о братьях-близнецах, один из которых отправляется в путешествие к звёздам, а другой остаётся на Земле. Брат-космонавт летит со скоростью, близкой к скорости света, из-за чего время течёт медленнее, но с его точки зрения это кажется совершенно нормальным. Однако, если бы он мог увидеть брата на Земле, ему бы показалось, что земное время значительно ускорилось.
В конце истории брат-путешественник возвращается на Землю всего на четыре года старше, в то время как его брат-домосед старше на 71 год, что оказывается довольно неприятным для всех участников, не говоря уже о том, что может довести до слёз любого бухгалтера.
Подобное явление, называемое замедлением времени, может показаться чем-то из области научной фантастики или эзотерической физики, но этот эффект имеет удивительные повседневные последствия.
Например, когда первые спутники GPS были отправлены на низкую околоземную орбиту, учёные не думали, что замедление времени окажет на них измеримое влияние. Пионер GPS Нил Эшби отметил, что это будет иметь очень большой и нежелательный эффект.
Когда спутник GPS вращается вокруг Земли, он движется со скоростью около 28 000 км/ч. Применяя уравнения Эйнштейна, это означает, что время для спутника течёт на семь миллионных секунды (7 микросекунд) в сутки медленнее, чем на среднем уровне моря на Земле.
Теперь всё становится сложнее, потому что многие научно-популярные статьи, как правило, упускают из виду, что, согласно теории относительности, на время влияет не только скорость, но и гравитация. Чем ближе вы к объекту с очень сильной гравитацией, например, к чёрной дыре, тем медленнее идёт время. Однако, и это раздражает, оно движется относительно быстрее по мере удаления от объекта. Это значит, что когда спутник находится на орбите, то из-за того, что он находится дальше от Земли, сила её притяжения слабее, и время ускоряется.
Это означает, что наш спутник GPS теряет семь микросекунд времени, но при этом прибавляет 45 микросекунд в день, поэтому время для спутника идёт на 38 микросекунд быстрее в день, если учесть все эти эффекты.
Всё это сводится к тому, что если в систему GPS не встроена коррекция, расчёты местоположения будут сбиваться на несколько миль в день, и нам придётся тратить уйму времени, докучая полицейским, владельцам гаражей и совершенно незнакомым людям, чтобы узнать дорогу.
По мере того, как человечество регулярно продвигается всё дальше в космос, это становится всё более серьёзной практической проблемой. Мало того, что часы спутников необходимо корректировать по мере их перемещения на более высокие орбиты, американцы хотят, чтобы Луне был предоставлен собственный часовой пояс, поскольку время там идёт на 56 микросекунд в день быстрее, чем на Земле.
А ещё есть Марс. С учётом планов более частых и амбициозных миссий на Красную планету, а затем и создания человеческих колоний, проблема времени становится ещё сложнее, и именно это пытаются решить Эшби и Биджунат Патла из Национального института стандартов и технологий (NIST).
Они обнаружили, что разница во времени на Марсе сложнее, чем на Луне, поскольку при расчётах для Луны нужно учитывать только гравитацию Земли, Луны и Солнца. Однако для Марса это проблема четырёх тел, причём сам Марс добавляется к этой проблеме, что значительно усложняет расчёты.
Хуже того, Марс движется по более эллиптической орбите, чем Луна, поэтому его скорость вокруг Солнца меняется в течение марсианского года. Кроме того, на его орбите есть небольшое колебание, которое всё портит. В результате, согласно расчётам команды, время на Марсе идёт на 477 микросекунд в день быстрее, с флуктуацией в 266 микросекунд, которую необходимо учитывать в любой момент года.
Это будет непросто. Для спутников GPS это расхождение можно исправить, просто замедлив ход бортовых часов. Для Марса всё гораздо сложнее, поскольку приходится не только корректировать погрешность GPS в 143 км в день, но и иметь дело со всё более сложной системой связи – интернетом Солнечной системы – поэтому потребуется динамическая, постоянно меняющаяся коррекция, чтобы избежать сбоев при передаче и приёме пакетов данных.
«Приятно впервые узнать, что происходит на Марсе с точки зрения времени, — сказал Эшби. — Раньше этого никто не знал. Это расширяет наши знания самой теории, теории хода часов и теории относительности. Течение времени — фундаментальный принцип теории относительности: как его осознать, как его рассчитать и что на него влияет. Эти концепции могут показаться простыми, но их расчёт может быть довольно сложным».
Научная статья опубликована в The Astronomical Journal.