Нове дослідження показало, що на Марсі час йде помітно швидше, ніж на Землі – приблизно на 477 мікросекунд на добу, причому впродовж марсіанського року цей показник коливається на близько 266 мікросекунд. Автори роботи з Національного інституту стандартів і технологій (NIST) Ніл Ешбі та Біджунат Патла зазначають – це не абстрактна фізична дотепність, а важлива практична проблема для навігації, зв’язку та майбутніх поселень на Червоній планеті.
На чому базуються ці підрахунки
Пояснення лежить у загальній і спеціальній теоріях відносності Альберта Ейнштейна – фундаментальних роботах початку XX століття, які змінюють уявлення про простір і час. У спрощеному вигляді – швидкість руху сповільнює хід годинника, а сильніше тяжіння теж уповільнює час. Тому супутник на орбіті відчуває дві протилежні дії: через високу швидкість його годинник іде повільніше, а через слабший гравітаційний вплив (бо він далі від маси Землі) – швидше. Разом дають конкретні зміни ходу часу.
Класичний приклад релятивістського парадоксу описав у художньому творі Роберт Гайнлайн у романі “Time for the Stars” – один з близнюків подорожує зі швидкістю, близькою до швидкості світла, повертається майже не постарілим, а другий на Землі сильно старіє. Це художня ілюстрація явища, яке нині має прямі інженерні наслідки.
Приклади з навігації та супутниками
У випадку супутників глобальної навігації (GPS) релятивістські корекції вже давно враховуються. Супутник рухається зі значною швидкістю – близько 17 500 миль на годину (28 000 км/год), і це сповільнює його годинник на приблизно 7 мікросекунд на добу. Водночас через слабший гравітаційний потенціал у вищій орбіті годинник прискорюється на близько 45 мікросекунд на добу. В сумі годинники на супутнику ідуть приблизно на 38 мікросекунд на добу швидше, ніж земні. Без цих поправок помилки позиціонування дорівнювали б кілометрам за день.
Такі корекції вже застосовують для супутників поблизу Землі. Для Місяця дослідники оцінюють, що час там йде приблизно на 56 мікросекунд на добу швидше, ніж на середньому рівні моря Землі – тому вчені пропонували й ідею окремої “місячної” часової системи, аби уникнути плутанини в навігації і зв’язку.
Чому Марс складніший
Для Марса завдання значно складніше. Якщо для Місяця достатньо врахувати гравітацію Землі, Місяця і Сонця, то для Марса стає потрібним розв’язування задачі з чотирма тілами – Земля, Марс, Сонце і сам супутник чи апарат. До того ж орбіта Марса більш еліптична, ніж Місяця, тож швидкість планети навколо Сонця змінюється впродовж марсіанського року. Є також невеликі коливання орбіти – «гойдання», які додають складнощів.
Через це автори підрахували, що в середньому час на поверхні Марса іде на 477 мікросекунд на добу швидше, але цей показник змінюється приблизно на 266 мікросекунд у різні моменти року. Для порівняння – марсіанський рік триває близько 687 земних днів, тож ці коливання накопичуються і потребують динамічних, адаптивних корекцій.
Практичні наслідки для досліджень і майбутніх колоній
На відміну від супутників навколо Землі, де просту поправку можна внести шляхом регулювання тактів годинника, для Марса потрібні динамічні алгоритми, що враховують поточне розташування, орбіти та взаємодії багатьох тіл. Це важливо не лише для точності позиціонування – помилка в сотні мікросекунд може призвести до десятків кілометрів похибки при передачі сигналів або помилок у синхронізації мережі зв’язку.
Крім того, як зазначає Ешбі, дослідження не лише практичне – воно також поглиблює розуміння самої теорії відносності і того, як “йдуть” годинники в складних гравітаційних системах. Робота опублікована в журналі The Astronomical Journal і відкриває двері до подальших досліджень, що стануть у пригоді інженерам і космічним програмам, які планують повернення людей на Місяць і постійні місії на Марс.
