Первый пилотируемый полет на Марс — это не только про ракеты и посадочные модули. Помимо других условий для жизни людям там понадобится самое банальное — локальное время. На Красной планете время действительно идет чуть быстрее, чем на Земле. Разница микроскопическая, но для точных систем связи и навигации она критична, пишет Pop Science.
Много лет физики прикидывали эту дельту «на пальцах», а теперь наконец посчитали ее строго. Исследователи из Национального института стандартов и технологий США (NIST) опубликовали в журнале The Astronomical Journal расчеты, которые закрывают старый теоретический вопрос и одновременно добавляют кирпичик в фундамент будущей межпланетной инфраструктуры.
Почему время вообще может идти по-разному
С точки зрения обыденной жизни часы тикают более-менее одинаково и в Небраске, и в Шанхае. Но у физики своя оптика — еще Эйнштейн показал, что ход времени зависит от гравитации и движения. Чем сильнее гравитационное поле, тем медленнее течет время. Поэтому гипотетический путешественник к черной дыре вернулся бы домой моложе собственных детей — просто потому что там время шло намного «гуще».
Разницу можно заметить и без далеких космических путешествий. Человек, живущий на вершине Эвереста, за всю жизнь состарится буквально на микросекунды быстрее, чем житель уровня моря. Современные атомные часы уже умеют фиксировать такие расхождения.
То же самое происходит и с техникой. Спутники GPS летают на высоте около 20 200 км и идут быстрее земных часов примерно на 45,7 микросекунды в сутки. Если этот эффект не учитывать, система навигации довольно быстро превратилась бы в хаос: ошибки в позиционировании росли бы изо дня в день.
Проблема не трех, а четырех тел
На Марсе гравитация примерно в три раза слабее, чем на Земле, но этого для точного ответа недостаточно.
Нужно учесть:
- скорость движения планеты по орбите;
- более вытянутую орбиту (687 земных суток на оборот вокруг Солнца);
- влияние масс соседних тел — Солнца, Земли и Луны.
Для Земли, Луны и Солнца подобные расчеты упираются в классическую «задачу трех тел» — уже очень непростую. В случае с Марсом это превращается в «задачу четырех тел».
«Я ожидал сложную математику, но оказалось, что базовые расчеты куда тяжелее, чем казалось вначале», — признается физик NIST Биджунат Патла, один из авторов работы.
Чтобы все формализовать, Патла и его коллега Нил Эшби сначала задали «нулевой уровень» на Марсе — аналог марсианского «уровня моря» на экваторе. Затем в модель добавили гравитацию, орбитальную динамику и все внешние влияния.
В итоге оказалось, что на поверхности Марса время идет примерно на 477 микросекунд в сутки быстрее, чем на поверхности Земли. Это около тысячной доли времени, которое нужно человеку, чтобы моргнуть, но на длинной дистанции такая мелочь накапливается.
Микросекунды, которые решают многое
На уровне человека эта разница выглядит ничтожной: ни организм, ни обычные часы ее не заметят. Но для сложных систем связи и навигации микросекунды — рабочий масштаб.
Например, сети 5G требуют синхронизации с точностью до одной десятой микросекунды. Добавьте к этому задержку сигнала между Землей и Марсом — сегодня она может занимать больше 20 минут в один конец, — и становится понятно, почему любая неточность в «общих часах» для планет быстро превращается в проблему.
В будущем вокруг Марса могут появиться ретрансляторы и орбитальные узлы связи, которые сильно сократят субъективную задержку. Но для этого все участники — Земля, спутники, марсианские станции и базы — должны «жить» в согласованной системе времени, где учтены все эффекты относительности.
«Если мы добьемся такой синхронизации, взаимодействие с Марсом будет ощущаться почти как работа в одной сети — без потерь данных и постоянных пересчетов», — говорит Патла.
Первый шаг к «солнечной системе с часами»
До регулярных экспедиций людей на Марс еще, скорее всего, десятилетия. Но подобные расчеты будут лежать на полке.
В прошлом году NIST уже предложил концепцию лунной системы отсчета времени — по сути, независимых «лунных часов» с учетом местной гравитации и орбиты. Новая работа по Марсу — логичное продолжение. Это поможет уточнять лунную временную шкалу, проектировать аналогичные стандарты для других планет и спутников и заранее строить архитектуру межпланетной связи, навигации и позиционирования.
«Время — фундаментальный элемент общей теории относительности: как оно течет, от чего зависит, как его считать, — говорит Патла. — Все это максимально близко к тому, как мы в реальности начинаем воплощать фантастическую идею: человечество живет сразу в нескольких уголках Солнечной системы и везде знает, который сейчас час».
PS: Ставьте лайк и подписывайтесь на «Ведомости» в Telegram и MAX