Отследить время пребывания первых астронавтов на Марсе будет не так просто, как посмотреть на часы или отметить дни в календаре. Благодаря теории относительности время на Красной планете течёт быстрее, чем на Земле. Учёные давно задавались вопросом о точной разнице во времени между планетами, и наконец-то у физиков из Национального института стандартов и технологий (NIST) появился ответ. Их расчёты, опубликованные 1 декабря в журнале The Astronomical Journal, не только отвечают на давний вопрос, но и помогают продвинуть будущее человечества за пределами Земли, а также улучшить наше понимание физики.
Всё относительно
Для всех практических целей люди на Земле ощущают время равномерно. Один час в Омахе, штат Небраска, практически такой же, как час в Шанхае, Китай. Но, как показал Эйнштейн в своей теории общей теории относительности, линейное время напрямую связано с силой гравитации. Именно поэтому путешественники, совершившие теоретический круговой полёт к чёрной дыре, вернулись бы домой гораздо моложе своих детей.
Гравитация Земли значительно слабее гравитации чёрной дыры, но теперь у физиков есть инструменты, достаточно чувствительные, чтобы обнаружить микроскопические различия на нашей планете. Человек, живущий на вершине Эвереста, в конечном итоге постареет быстрее, чем человек на уровне моря, даже если разница составит всего микросекунды. Но эти эффекты не только гипотетические. На высоте примерно 12 544 миль над Землёй спутники GPS идут на 45,7 микросекунды быстрее, чем земные часы, — это важное отставание, которое необходимо учитывать при поддержании телекоммуникационных систем.
Проблема четырёх тел
Гравитация на Марсе примерно в пять раз слабее, чем на Земле, но это не единственный фактор, влияющий на ход времени на нашем космическом соседе. Также необходимо учитывать его скорость и массы соседних планет. И хотя марсианский день на 40 минут длиннее земного, его эксцентричная орбита вокруг Солнца, длящаяся 687 дней, особенно сложна для расчётов. Это особенно трудно по сравнению с измерением в значительной степени стабильных отношений орбитальных скоростей между Землёй, Луной и Солнцем — примером так называемой задачи трёх тел.
«Задача трёх тел чрезвычайно сложна. Теперь мы имеем дело с четырьмя: Солнцем, Землёй, Луной и Марсом. Работа оказалась более сложной, чем я думал изначально», — признался физик из NIST и соавтор исследования Биджунат Паттла в заявлении.
Чтобы найти решение, Паттла и физик из NIST Нил Эшби начали с выбора точки отсчёта на поверхности Марса, аналогичной уровню моря на экваторе Земли. Затем они учли все космические влияния на Марс в своих расчётах и в итоге получили точный ответ: время на Красной планете течёт на 477 микросекунд быстрее, чем на Земле. Это примерно тысячная часть времени, которое требуется, чтобы моргнуть глазом.
Крошечные числа, важные последствия
Хотя эти задержки и кажутся ничтожно малыми, они могут накапливаться. Например, для того чтобы сети 5G функционировали должным образом, они должны поддерживать точность до одной десятой микросекунды. Сегодня отправка или получение сообщений с марсианским аппаратом, таким как марсоход NASA Curiosity, занимает более 24 минут. В будущем созданные сетевые ретрансляторы могут значительно сократить эту задержку между миллионами миль, разделяющих астронавтов и центром управления полёвами.
«Если вы добьётесь синхронизации, это будет почти как общение в режиме реального времени без потери информации. Вам не придётся ждать, чтобы увидеть, что происходит», — сказал Паттла.
Паттла признаёт, что, вероятно, пройдут десятилетия, прежде чем люди начнут регулярно посещать Марс, но это не помешает другим достижениям благодаря их работе. NIST даже опубликовал план по лунному учёту времени только в прошлом году. Эти новые расчёты для Марса могут помочь улучшить зарождающуюся систему, а также разработать аналогичные методы для других планет или спутников.
«Течение времени является фундаментальным для теории относительности: как вы его осознаёте, как вы его рассчитываете и что на него влияет», — сказал Паттла. «Это самое близкое к тому, как мы реализовали научно-фантастическое видение расширения по Солнечной системе».