Защо трябва да изпратим часовници на Луната

М оже би най-голямата и завладяваща загадка на нашата Вселена е проблемът с измерването на времето: Секундите минават малко по-бързо на върха на планината, отколкото в долините на Земята.

На практика повечето хора не се притесняват за тези разлики.

Но подновената космическа надпревара кара Съединените щати и техните съюзници, както и Китай, да се стремят към създаване на постоянни селища на Луната и това отново извежда на преден план особеностите на времето.

На лунната повърхност един земен ден би бил с около 56 микросекунди по-кратък от този на нашата планета - малка цифра, която може да доведе до значителни несъответствия във времето.

В момента НАСА и нейните международни партньори се борят с тази главоблъсканица.

Учените не се стремят просто да създадат нов „часови пояс“ на Луната, както предполагат някои заглавия - казва Черил Грамлинг, ръководител на отдела за лунна позиция, навигация и времеви стандарти в Центъра за космически полети „Годард“ на НАСА в Мериленд. По-скоро космическата агенция и нейните партньори се стремят да създадат изцяло нова „скала на времето“ или система за измерване, която да отчита факта, че на Луната секундите минават по-бързо - отбеляза Грамлинг.

Our moon is moving away from Earth at a rate of 1.6 inches (4 cm) per year 🌑

As a result, in about 200 million years there will be 25 hours in a day pic.twitter.com/aV1TBG7L55

— Latest in space (@latestinspace) August 4, 2024

Целта на агенцията е да работи с международни партньори за създаването на нов метод за проследяване на времето, специално за Луната, който космическите държави да се съгласят да спазват.

Неотдавнашна бележка на Белия дом също така нарежда на НАСА да начертае плановете си за тази нова скала за време до 31 декември, като я нарича „основополагаща“ за подновените усилия на САЩ за изследване на лунната повърхност. В меморандума също така се изисква НАСА да въведе такава система до края на 2026 г., същата година, в която космическата агенция се стреми да върне астронавти на Луната за първи път от пет десетилетия.

За световните времеизмервачи следващите месеци могат да се окажат решаващи за намирането на точен начин за отчитане на лунното време - и за постигането на споразумения за това как, кога и къде да се поставят часовници на Луната.

Подобна рамка ще бъде от решаващо значение за хората, които посещават най-близкия ни небесен съсед, казва Грамлинг пред CNN.

Астронавтите на Луната, например, ще напускат своите местообитания, за да изследват повърхността и да извършват научни изследвания, каза тя. Те също така ще общуват помежду си или ще управляват лунните си колички, докато са на лунната повърхност.

„Когато се движат спрямо Луната, времето трябва да е спрямо Луната“, каза Грамлинг, 

Кратка история на земното време

Простите слънчеви часовници или каменни образувания, които следят сенките при преминаването на слънцето над главата, отбелязват хода на деня, точно както променящите се фази на Луната могат да регистрират изминаването на един месец на Земята. Тези природни часовници от хилядолетия следват графика на хората.

Но може би откакто механичните часовници се наложиха в началото на XIV в., часовникарите станаха все по-взискателни към точността.

Точното измерване на секундите също се усложнява в началото на 1900 г. благодарение на Алберт Айнщайн, роденият в Германия физик, който разтърсва научната общност с теориите си за специалната и общата относителност.

„Проклет да е Айнщайн - той измисли общата теория на относителността и от нея произлязоха много странни неща. Едно от тях е, че гравитацията забавя времето“, казва д-р Брус Бетс, главен учен в Планетарното общество, група с нестопанска цел, занимаваща се с космически въпроси. 

Общата теория на относителността е сложна, но в общи линии това е рамка, която обяснява как гравитацията влияе на пространството и времето.

Представете си, че нашата Слънчева система е парче плат, окачено във въздуха. Тази тъкан е самото пространство и време, които - според теориите на Айнщайн - са неразривно свързани. А всяко небесно тяло в Слънчевата система, от Слънцето до планетите, е като тежка топка, която седи върху тъканта. Колкото по-тежко е топчето, толкова по-дълбока е вдлъбнатината, която то създава, изкривявайки пространството и времето.

Дори идеята за земна „секунда“ е човешко понятие, което е трудно да се измери. И именно общата теория на относителността на Айнщайн обяснява защо времето тече малко по-бавно на по-ниски надморски височини - защото гравитацията има по-силно въздействие по-близо до масивен обект (като нашата планета).

Учените са намерили съвременно решение на всички усложнения, свързани с относителността, за измерване на времето на Земята: За да отчетат незабележимите разлики, те са поставили няколкостотин атомни часовника на различни места по земното кълбо. Атомните часовници са свръхпрецизни инструменти, които използват вибрациите на атомите, за да измерват хода на времето, и тези часовници - в съответствие с теориите на Айнщайн - тиктакат толкова по-бавно, колкото по-близо до земната повърхност се намират.

Показанията на атомните часовници по света могат да бъдат осреднени, за да се получи възможно най-широко, но точно усещане за времето на цялата планета Земя, което ни дава координираното универсално време или UTC. Все пак понякога се включват „високосни секунди“, за да се поддържа UTC в съответствие с леките промени в скоростта на въртене на Земята.

Time on the Moon passes slightly faster than on Earth - by 0.0000575 seconds per day (due to the Moon's lower gravity). That affects precise navigation, so @openlunar is working on a Lunar Time Standard.
details: https://t.co/kLlskdZAcv pic.twitter.com/nI9dNVdf4I

— Chris Hadfield (@Cmdr_Hadfield) September 1, 2024

Това методично отчитане на времето помага на съвременния свят да се върти в кръг - образно казано, казва Кевин Когинс, заместник-администратор и ръководител на програмата за космически комуникации и навигация на НАСА.

„Ако сте проучвали времето на Земята, разбирате, че то е решаващият фактор за всичко: икономиката, продоволствената сигурност, търговията, финансовата общност, дори проучването на нефт. Те използват прецизни часовници. То е във всичко, което има значение в съвременното общество“, каза Когинс. 

Пространство, време: Непрекъснатият въпрос

Ако времето се движи по различен начин по върховете на планините, отколкото по бреговете на океана, можете да си представите, че нещата стават още по-странни, колкото повече се отдалечавате от Земята.

За да се усложни ситуацията: Според специалната теория на относителността на Айнщайн времето тече толкова по-бавно, колкото по-бързо се движи човек или космически кораб.

Астронавтите на Международната космическа станция например имат късмет, казва в телефонно интервю д-р Биджунат Патла, физик-теоретик от Националния институт по стандартизация и технологии на САЩ. Въпреки че космическата станция обикаля на около 200 мили (322 км) над земната повърхност, тя се движи с висока скорост - обикаля планетата 16 пъти на ден - така че ефектите на относителността донякъде се неутрализират взаимно, казва Патла. Поради тази причина астронавтите в орбиталната лаборатория могат лесно да използват земното време, за да се придържат към графика.

За други мисии това не е толкова просто.

За щастие, учените вече имат десетилетия опит в борбата със сложността.

Космическите кораби, например, са оборудвани със собствени часовници, наречени осцилатори - казва Грамлинг.

„Те поддържат собствено време. И повечето от операциите ни за космическите апарати - дори и тези, които се намират на Плутон или в пояса на Кайпер, като „Нови хоризонти“ - (разчитат на) наземни станции, които са на Земята. Така че всичко, което те правят, трябва да е свързано с UTC“, казва Грамлинг. 

Но тези космически апарати разчитат и на собственото си запазено време - каза Грамлинг. Космическите апарати, които изследват дълбоко в Слънчевата система, например, трябва да знаят - въз основа на собствената си скала за време - кога се приближават към планета, в случай че се налага да използват това планетарно тяло за навигационни цели, добави тя.

В продължение на 50 години учените са в състояние да наблюдават атомни часовници, които са скрити на борда на GPS сателитите, които обикалят около Земята на разстояние от около 12 550 мили (20 200 км) - или около една деветнадесета от разстоянието между нашата планета и Луната.

Изследването на тези часовници дава на учените чудесна отправна точка за по-нататъшна екстраполация, когато се опитват да установят нова времева скала за Луната - казва Патла.

„Можем лесно да сравним часовниците (GPS) с часовниците на Земята. Очевидно не е толкова лесно, колкото звучи, но е по-лесно, отколкото да се забърка бъркотия“, каза Патла и добави, че учените са открили начин да забавят леко часовниците на GPS, като ги накарат да тиктакат по-близо до земните часовници. 

За Луната обаче учените вероятно няма да се стремят да забавят часовниците. Те се надяват да измерят точно лунното време, каквото е то, като същевременно се уверят, че то може да се свърже със земното време, според Патла, който наскоро е съавтор на статия, в която подробно се описва рамката за лунното време.

Проучването, за протокола, също така се опитва да определи колко точно се разминават лунното и земното време, тъй като оценките се колебаят между 56 и 59 микросекунди на ден.

Според статията часовниците на лунния екватор ще тиктакат с 56,02 микросекунди по-бързо на ден от часовниците на земния екватор.

Лунни часовници

Това, което учените знаят със сигурност, е, че трябва да доставят прецизни инструменти за измерване на времето на Луната.

Кой точно ще плати за лунните часовници, какъв тип часовници ще отидат и къде ще бъдат разположени, са все въпроси, които остават във въздуха, казва Грамлинг.

„Трябва да уточним всичко това. Не мисля, че все още знаем. Мисля, че това ще бъде съчетание от няколко различни неща“, каза тя. 

Атомните часовници, отбеляза Грамлинг, са чудесни за дългосрочна стабилност, а кристалните осцилатори имат предимство за краткосрочна стабилност.

Различни видове часовници могат да бъдат поставени в спътниците, които обикалят около Луната, или на точните места на лунната повърхност, които астронавтите ще посетят един ден.

Why scientists say we need to send clocks to the moon — soon - CNN https://t.co/PNIRhPbOC8

— Carrie (@TantaUniverse) May 31, 2024

Що се отнася до цената, според Грамлинг един атомен часовник, достоен за пътуване в космоса, би могъл да струва около няколко милиона долара, като кристалните осцилатори биха били значително по-евтини.

Но, казва Патла, човек получава това, за което плаща.

„Много евтините осцилатори могат да се разминават с милисекунди или дори с десетки милисекунди. А това е важно, защото за целите на навигацията - трябва да синхронизираме часовниците с точност до 10 наносекунди“, добави той. 

Мрежата от часовници на Луната би могла да работи в синхрон, за да информира за новата лунна времева скала, точно както атомните часовници правят за UTC на Земята.

Новата времева скала ще бъде в основата на цяла лунна мрежа, която НАСА и нейните съюзници са нарекли LunaNet.

„Можете да мислите за LunaNet като за интернет - или за интернет и глобална навигационна спътникова система, взети заедно. И можете да мислите за сътрудниците може би като за вашия доставчик на интернет услуги“, каза Грамлинг. 

Създаването на такава рамка означава да се съберат на масата много хора от цял свят. Досега, каза Грамлинг, разговорите с партньорите от САЩ са били „много, много положителни“.

Не е ясно дали НАСА и партньорите ѝ в това усилие, сред които е и Европейската космическа агенция, ще получат подкрепа от държави, които не са сред съюзниците на САЩ, като например Китай. Грамлинг отбеляза, че тези разговори ще се водят чрез международните стандартизиращи органи, като например Международния астрономически съюз.

„Съвсем различен начин на мислене"

Точният часовников механизъм е един въпрос. Но как бъдещите астронавти, които ще живеят и работят на лунната повърхност, ще възприемат времето, е съвсем друг въпрос.

На Земята усещането ни за един ден се определя от факта, че планетата се завърта на всеки 24 часа, което дава на повечето места постоянен цикъл от светли и тъмни нощи. На Луната обаче екваторът получава приблизително 14 дни слънчева светлина, последвани от 14 дни тъмнина.

„На Луната това е много, много различна концепция. И НАСА говори за кацане на астронавти в много интересната южна полярна област на Луната, където има постоянно осветени и постоянно засенчени области. Така че това е съвсем друго объркване“, казва Бетс. 

И все пак прецизното измерване на времето е от значение - не само за научното разбиране на времето на Луната, но и за създаването на цялата инфраструктура, необходима за провеждането на мисиите.

Според Грамлинг красотата на създаването на времева скала от нулата се състои в това, че учените могат да вземат всичко, което са научили за измерването на времето на Земята, и да го приложат към нова система на Луната.

Тя добави, че ако учените успеят да се справят с това на Луната, те ще могат да го направят и по-късно, ако НАСА изпълни целта си да изпрати астронавти по-навътре в Слънчевата система.

„В голяма степен се стремим да изпълним това на Луната, за да научим какво можем да научим, така че да сме подготвени да направим същото нещо на Марс или на други бъдещи тела“, каза Грамлинг,

Не пропускайте най-важните новини - последвайте ни в Google News Showcase