爱因斯坦相对论的新研究表明，月球上的时间过得更快

利用爱因斯坦的广义相对论，物理学家发现月球上的时钟比地球上的时钟走得快 56 微秒。这一发现将有助于未来的月球任务导航。

月球上现在几点了？

2024 年 4 月，白宫向科学家发出挑战，要求建立月球时间标准，作为 NASA 的 Artemis 计划的一部分，期待增加月球上的国际存在和潜在的人类基地。真正令人困惑的问题不是“现在几点了？”而是“时间过得有多快？”

任何计时员都可以设置时钟的读数，但物理学决定了时间流逝的速度。在 20 世纪初，阿尔伯特·爱因斯坦确定，如果两个观察者没有以相同的速度朝同一方向移动，他们就不会就一小时有多长达成一致。这种分歧也存在于地球表面的人和轨道上或月球上的人之间。

科罗拉多州博尔德市国家标准与技术研究所 (NIST) 的理论物理学家 Bijunath Patla 表示：“如果我们在月球上，时钟的运行方式将与地球上的有所不同。”指出月球相对于我们的运动使时钟运行得比地球标准慢，但其较低的重力导致时钟运行得更快。 “因此，这是两种相互竞争的影响，最终结果是每天 56 微秒的漂移。” （即 0.000056 秒。）

帕特拉和他的 NIST 物理学家同事尼尔·阿什比 使用爱因斯坦的广义相对论来计算这个数字，比之前的分析有所改进。他们在《天文学杂志》上发表了他们的研究结果。

尽管按照人类标准来看，56 微秒的差异很小，但对于精确引导多项任务或地球与月球之间的通信而言，这一差异却意义重大。

美国宇航局戈达德太空飞行中心的系统工程师谢丽尔·格拉姆林说：“当月球上的活动比现在多得多时，最重要的是月球生态系统中的导航安全。” 。 “就导航而言，月球上的时钟和地球上的时钟之间一天内 56 微秒的漂移是一个很大的差异，所以你必须适应这一点。”

现代精确导航依赖于同步时钟，这涉及使用以光速传播的无线电波进行协调。 Gramling 指出，光在 1 纳秒（0.001 微秒）内传播 30 厘米（11.8 英寸）——以人类标准来看，这是一个令人难以置信的短时间——因此，如果不考虑 56 微秒的差异，可能会导致高达 17 公里的导航误差每天。对于 Artemis 任务来说，即使是其中的一小部分也是不可接受的，因为这需要始终了解每个漫游器、着陆器或宇航员的位置，误差在 10 米以内。

我自由了！自由落体！

相对论的一个关键结果是不存在绝对时间这样的东西。由于引力效应，地球表面的时钟会比轨道上的时钟走得慢，这就是 GPS 卫星必须考虑相对论的原因。 （协调世界时和地球上的其他标准也使用时钟网络来纠正不同海拔处的微小重力差异。）

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确定地球和月球之间的计时差异会增加额外的复杂性。由于我们的自转及其围绕我们的轨道，月球相对于地球表面的任何点都在移动，这意味着从我们的角度来看，任何月球时钟都会显得走得更慢。此外，月球上的任何时钟都会受到月球引力和地球引力的影响。 （人造卫星的体积和质量不足以使其自身的引力效应发挥作用。）

正确处理相对论的这些影响需要选择合适的参考系。阿什比和帕特拉通过承认地月系统处于自由落体状态（仅在太阳引力的影响下移动）来解决这个问题，每个系统都绕着它们共同的质心运行。这使他们能够计算出每种复杂情况的贡献：每个物体的旋转、潮汐力、完美球体的形状偏差等等。

阿什比和帕特拉还计算了地球和月球之间轨道上的引力稳定位置（称为拉格朗日点），该位置可用于通信中继卫星。

与此同时，密苏里大学的理论物理学家Sergei Kopeikin和美国海军天文台的天文学家George Kaplan独立计算出地球和月球之间56微秒的时移。他们还计算了由于太阳和木星的微小潮汐力变化而导致的时钟速率的较小周期性波动，尽管如此，为了获得 10 米尺度或更好的导航精度，需要考虑纳秒级的影响。

“[相对论]社区通过出版所有这些工作为我们提供了巨大的服务，”格拉姆林说。 “现在我们有一些东西可以带给整个国际计时专家界，并问他们，‘这是我们可以为月球标准化的模型吗？’”

月球上需要很多年或几十年的时间才能拥有足够的人类和机器人来满足这种级别的计时需求。然而，科学家和工程师们早在必要之前就认识到制定月球标准时间的重要性。现在，他们已经迈出了艰难的第一步，以了解月球上的时间。

本文最初发表于Eos.org。阅读原始文章原始文章。