Ученые призвали как можно скорее отправить часы на Луну: зачем это надо

На поверхности Луны один земной день был бы примерно на 56 микросекунд короче, чем на нашей родной планете, — это крошечное число, которое может привести к значительным несоответствиям во времени. Как сообщает CNN, НАСА и его международные партнеры в настоящее время пытаются решить эту головоломку.

Ученые не просто хотят создать новый “часовой пояс” на Луне, как предполагают некоторые СМИ, говорит Шерил Грэмлинг, ведущий специалист по положению Луны, навигации, хронометражу и стандартам в Центре космических полетов имени Годдарда НАСА в Мэриленде. Скорее всего, космическое агентство и его партнеры стремятся создать совершенно новую “шкалу времени”, или систему измерений, которая учитывала бы тот факт, что секунды на Луне текут быстрее, отметчает Грэмлинг.

Цель агентства - совместно с международными партнерами разработать новый метод отслеживания времени, специально для Луны, который согласились бы соблюдать космические державы.

В недавней служебной записке Белого дома также содержится указание НАСА наметить свои планы на этот новый временной период к 31 декабря, назвав его “основополагающим” для возобновления усилий США по исследованию лунной поверхности. В памятке также содержится просьба к НАСА внедрить такую систему к концу 2026 года, в том же году космическое агентство намерено впервые за пять десятилетий вернуть астронавтов на Луну.

Для мировых хронометристов ближайшие месяцы могут стать решающими в выяснении того, как точно вести лунное время, и в достижении соглашений о том, как, когда и где устанавливать часы на Луне.

Такие рамки будут иметь решающее значение для посещения людьми нашего ближайшего небесного соседа, рассказывает Шерил Грэмлинг CNN.

Например, астронавты на Луне собираются покинуть свои места обитания, чтобы исследовать поверхность и проводить научные исследования, говорит она. Они также будут общаться друг с другом или управлять своими лунными багги, находясь на поверхности Луны.

“Когда они ориентируются относительно Луны, - рассказывает Грэмлинг, - время должно быть относительно Луны”.

Простые солнечные часы или каменные конструкции, которые отслеживают тени, когда солнце проходит над головой, отмечают течение дня точно так же, как смена фаз Луны может указывать на течение месяца на Земле. Эти естественные хронометристы тысячелетиями следили за тем, чтобы люди следовали расписанию.

Но, возможно, с тех пор, как в начале XIV века механические часы получили широкое распространение, часовщики стали еще более придирчивы к точности.

Точное измерение секунд также усложнилось в начале 1900-х годов благодаря Альберту Эйнштейну, который потряс научное сообщество своими теориями специальной и общей теории относительности.

“Черт бы побрал этого Эйнштейна — он придумал общую теорию относительности, и из этого вытекает много странных вещей, – говорит доктор Брюс Беттс, главный научный сотрудник Планетарного общества, некоммерческой космической организации. – Одна из них заключается в том, что гравитация замедляет время”.

Общая теория относительности сложна, но в общих чертах это система, которая объясняет, как гравитация влияет на пространство и время, поясняет CNN.

Представьте, что наша солнечная система - это кусок ткани, подвешенный в воздухе. Эта ткань — само пространство и время, которые, согласно теориям Эйнштейна, неразрывно связаны. И каждое небесное тело в Солнечной системе, от солнца до планет, похоже на тяжелый шар, лежащий поверх ткани. Чем тяжелее шар, тем глубже образуется трещина, искривляющая пространство и время.

Даже идея земной “секунды” - это придуманная человеком концепция, которую сложно измерить. И именно общая теория относительности Эйнштейна объяснила, почему время течет немного медленнее на более низких высотах — потому что ближе к массивному объекту (такому как наша родная планета) гравитация действует сильнее, отмечает CNN.

Ученые нашли современное решение всех сложностей, связанных с теорией относительности, для учета времени на Земле: чтобы учесть незаметные различия, они установили несколько сотен атомных часов в различных точках земного шара. Атомные часы - это сверхточные приборы, которые используют вибрацию атомов для измерения хода времени, и эти часы — в соответствии с теорией Эйнштейна — тикают медленнее, чем ближе они находятся к поверхности Земли.

Показания атомных часов по всему миру могут быть усреднены для получения максимально широкого, но точного представления о времени на планете Земля в целом, что дает нам всемирное координированное время, или UTC. Тем не менее, иногда учитываются “високосные секунды”, чтобы привести UTC в соответствие с небольшими изменениями скорости вращения Земли.

По словам Кевина Коггинса, заместителя помощника администратора и руководителя программы космической связи и навигации НАСА, такое методичное ведение учета времени помогает современному миру вращаться, образно говоря.

“Если вы изучали время на Земле, то понимаете, что оно является важнейшим фактором, влияющим на все: экономику, продовольственную безопасность, торговлю, финансовое сообщество и даже разведку нефти. Они используют точные часы, – рассказывает Коггинс. – Это присутствует во всем, что имеет значение в современном обществе”.

Если на горных вершинах время течет иначе, чем на берегах океана, то вы можете себе представить, что чем дальше вы удаляетесь от Земли, тем более причудливыми становятся события.

Еще одна сложность заключается в том, что, согласно специальной теории относительности Эйнштейна, время также течет медленнее, чем быстрее движется человек или космический корабль, подчеркивает CNN.

Например, астронавтам на Международной космической станции повезло, сказал доктор Биджунат Патла, физик-теоретик из Национального института стандартов и технологий США, в телефонном интервью. Хотя космическая станция находится на орбите примерно в 200 милях (322 километрах) над поверхностью Земли, она также движется с высокой скоростью — облетает планету по кругу 16 раз в день, — так что эффекты теории относительности в некоторой степени компенсируют друг друга, сказал Патла. По этой причине астронавты, работающие в орбитальной лаборатории, могут легко использовать земное время, чтобы не отставать от графика.

Для других миссий это не так просто. К счастью, у ученых уже есть многолетний опыт борьбы с подобными сложностями. Например, космические аппараты оснащены собственными часами, называемыми генераторами, говорит Грэмлинг.

“Они поддерживают свое собственное время, - рассказывает Грэмлинг. – И большинство наших операций с космическими аппаратами — даже с космическими аппаратами, которые находятся далеко от Плутона или пояса Койпера, такими как New Horizons — (полагаются) на наземные станции, которые находятся на Земле. Поэтому все, что они делают, должно соответствовать UTC”.

Но эти космические аппараты также рассчитывают свое собственное время, говорит Грэмлинг. Например, аппараты, исследующие глубины Солнечной системы, должны знать — исходя из своей собственной шкалы времени — когда они приближаются к планете, на случай, если космическому аппарату потребуется использовать это планетарное тело для навигационных целей, добавила она.

В течение 50 лет ученые также могли наблюдать за атомными часами, установленными на спутниках GPS, которые вращаются вокруг Земли на расстоянии около 12 550 миль (20 200 километров), что составляет примерно одну девятнадцатую расстояния между нашей планетой и Луной.

По словам доктора Патлы, изучение этих часов дало ученым отличную отправную точку для дальнейшей экстраполяции, поскольку они намеревались установить новую шкалу времени для Луны.

“Мы можем легко сравнить (GPS) часы с наземными, – говорит доктор Патла, добавив, что ученые нашли способ плавно замедлить ход GPS-часов, чтобы они тикали в соответствии с часами, установленными на Земле. – Очевидно, что это не так просто, как кажется, но это проще, чем устраивать беспорядок”.

Однако для Луны ученые, скорее всего, не будут стремиться замедлять ход часов. Они надеются точно измерить лунное время таким, какое оно есть, и в то же время обеспечить его обратную привязку к земному времени, по словам Патлы, которая недавно стала соавтором статьи, в которой подробно описывается система определения лунного времени.

Для справки, в ходе исследования также была предпринята попытка точно определить, насколько далеки друг от друга лунное и земное время, поскольку оценки колебались между 56 и 59 микросекундами в сутки.

Согласно статье, часы на экваторе Луны будут тикать на 56,02 микросекунды быстрее в день, чем часы на экваторе Земли.

Что ученые знают наверняка, так это то, что им необходимо доставить на Луну точные приборы для измерения времени, отмечает CNN.

Кто именно платит за лунные часы, какой тип часов будет использоваться и где они будут установлены - все это вопросы, которые остаются нерешенными, говорит Шерил Грэмлинг. “Мы должны разобраться во всем этом”, - сказала она. “Я не думаю, что мы пока знаем наверняка. Я думаю, что это будет объединение нескольких разных вещей”.

Грэмлинг отмечает, что атомные часы отличаются долговременной стабильностью, а кварцевые генераторы имеют преимущество в краткосрочной стабильности. “Никогда не доверяйте одним часам, - добавила Грэмлинг. – И никогда не доверяйте двум часам".

Часы различных типов могут быть установлены внутри спутников, вращающихся вокруг Луны, или, возможно, в точных точках на лунной поверхности, которые однажды посетят астронавты.

Что касается цены, то, по словам Грэмлинга, атомные часы, пригодные для космических полетов, могут стоить около нескольких миллионов долларов, а кварцевые генераторы обойдутся значительно дешевле.

Но, по словам Патлы, вы получаете то, за что платите. “Очень дешевые генераторы могут отключаться на миллисекунды или даже на 10 миллисекунд, - добавляет эксперт. – И это важно, потому что для целей навигации нам необходимо синхронизировать часы с точностью до 10 наносекунд”.

Сеть часов на Луне могла бы работать согласованно, сообщая о новой лунной шкале времени, точно так же, как атомные часы на Земле используют UTC.

(Грэмлинг добавляет, что на Луне не будет разных часовых поясов. “Были разговоры о создании разных зон, но ответ был: ”Нет", - сказала она. “Но в будущем это может измениться”.)

Новая временная шкала легла бы в основу всей лунной сети, которую НАСА и его союзники окрестили LunaNet.

“Вы можете рассматривать LunaNet как Интернет — или как Интернет и глобальную навигационную спутниковую систему вместе взятые, – рассказывает Грэмлинг. – Это “система стандартов, которой будут следовать участники LunaNet (такие как НАСА или Европейское космическое агентство)”.

“И вы можете подумать о том, что вкладчиками могут быть, например, ваши интернет-провайдеры”, - добавила Грэмлинг.

Создание такой платформы означает привлечение большого количества людей по всему миру к обсуждению. Пока, по словам Грэмлинг, переговоры с американскими партнерами были “очень, очень позитивными”.

Неясно, получат ли НАСА и его партнеры по этой работе, в том числе Европейское космическое агентство, поддержку от стран, которые не входят в число союзников США, таких как Китай. Грэмлинг отметила, что эти переговоры будут проводиться через международные органы, устанавливающие стандарты, такие как Международный астрономический союз.

Точный часовой механизм - это одно дело. Но как будущие астронавты, живущие и работающие на поверхности Луны, будут воспринимать время - это совершенно другой вопрос.

На Земле наше представление об одном дне определяется тем фактом, что планета совершает один оборот каждые 24 часа, в результате чего в большинстве мест наблюдается постоянный цикл дневного света и темных ночей. Однако на Луне экватор примерно 14 дней освещается солнечным светом, за которым следует 14 дней темноты, отмечает CNN.

“На Луне все совсем по-другому, – комментирует доктор Брюс Беттс. – И НАСА говорит о высадке астронавтов в очень интересном районе южного полюса Луны, где есть постоянно освещенные и постоянно затененные участки. Так что это совсем другая путаница”.

“Для астронавтов это будет непросто, - добавляет доктор Беттс. – Это так отличается от Земли, и это просто совершенно другой образ мышления”.

Это будет справедливо независимо от того, сколько времени будет на часах астронавтов. Тем не менее, точный хронометраж имеет значение — не только для научного понимания течения времени на Луне, но и для создания всей инфраструктуры, необходимой для выполнения миссий, подчеркивает CNN.

По словам Шерил Грэмлинг, прелесть создания шкалы времени с нуля заключается в том, что ученые могут взять все, что они узнали о хронометражировании на Земле, и применить это к новой системе на Луне. И если ученые смогут сделать это правильно на Луне, добавила она, они смогут сделать это правильно и позже, если НАСА выполнит свою цель по отправке астронавтов вглубь Солнечной системы.

“Мы очень надеемся реализовать это на Луне, изучая все, что мы можем узнать, - рассказывает Грэмлинг, - чтобы быть готовыми сделать то же самое на Марсе или других будущих телах”.