Kui te paigutaksite kaks täiesti identset aatomkella – ühe Maa pinnale ja ühe Kuule – ja kontrolliksite neid pärast täpselt üht Maa päeva, oleks Kuu kellak edasi ligikaudu 56,02 mikrosekund. See pole kella viga. See on universumi põhiomadus, mida ennustas Albert Einstein üldrelatiivsuse teoorias rohkem kui sada aastat tagasi.
Gravitatsioonilise Ajadilatatsiooniga Selgitus
Einsteini üldrelatiivsuse teooria, avaldatud 1915. aastal, kirjeldab gravitatsiooni mitte jõuna, vaid ruumiajapainde kõverusena. Massiivesed objektid, nagu Maa ja Kuu, painutavad nende ümber ruumiajakangu ja see painde mõjutab, kuidas aeg möödub.
Peamine põhimõte on lihtne: tugevam gravitatsiooni väli, aeglasem aeg möödub. Seda efekti nimetatakse gravitatsiooniliseks ajadilatatsiooniks. Maa pinna gravitatsioon on ligikaudu 9,8 m/s², samal ajal kui Kuu on ainult ligikaudu 1,62 m/s² – ligikaudu kuuendik nii tugev. Kuna Kuu gravitatsiooni jõud on nõrgem, on ruumiaeg seal vähem painutatud ja kellad liiguvad kiiremini.
56 Mikrosekundi Number
Täpne kiirus, millega liiguvad kuu kellad kiiremini, sõltub gravitatsioonilise potentsiaali erinevusest Maa pinna ja Kuu pinna vahel, pluss väiksemad parandused orbitaal kiirusele ja Maa pöörlemisele.
Gravitatsioonilise sinises nihkes – kellad, mis liiguvad kiiremini nõrgal gravitatsioonil – kaastab ligikaudu +58,7 mikrosekund päevas. Kuid Kuu orbitaal kiirus (ligikaudu 1,022 km/s) põhjustab väikest ajadilatatsioon vastupidises suunas (kiiruse efekt spetsiaalsest relativiteetusest), vähendades neto kasvu ligikaudu 2,7 mikrosekund päevas. Ühendatud tulemus on ligikaudu +56,02 mikrosekund päevas.
See number on kinnitatud mitme sõltumatu analüüsi poolt, sealhulgas töö NASA reaktiivsete jõudude laboratooriumist ja Nacionaalse Standartide ja Tehnoloogia Instituudi poolt.
See Pole Teoreetiline — See on Mõõdetud
Gravitatsiooniliste ajadilatatsioon on üks tõepärasemalt kontrollitud füüsika prognoos kogu füüsikaalas. GPS satelliidid, mis tiirlevad ligikaudu 20 200 km kõrgusel, kus gravitatsioon on nõrgem, saavad ligikaudu 45 mikrosekund päevas Maa pinna kellade suhtes. Ilma relativiteetusel parandamiseta drifinuksid GPS positsioonid ligikaudu 10 km päevas.
Sama füüsika kehtib Kuule. Kuigi me pole veel aatomkella Kuu pinnale paigutanud, arvutatakse efekt samadest hästi uuritud võrranditest. Gravitatsioonilise ajadilatatsiooniga formula annab prognooside, mis on kinnitatud paremini kui üks triljonendik.
Miks 56 Mikrosekund on Oluline
Igapäevaseks inimtegevus on 56 mikrosekund jälgimatu. Aga täpsete süsteemide jaoks kogub see kiiresti:
Pärast kuu kuhjub Kuu kellak ligikaudu 1,7 millisekund edasi. Pärast aasta suureneb nihke ligikaudu 20 millisekundini. J2000.0 ajastust (2000. aasta 1. jaanuar) on kumulatiivne nihke ületanud 0,5 sekundist.
Navigatsioonile liigub valgus ligikaudu 300 meetrit mikrosekundi kohta. 56 mikrosekund timingas viga vastab ligikaudu 16 meetri positsioonse ebamäärasus päevas. Täpsetele maandumistele, mis vajalikud Artemise missioonide jaoks – sihtide konkreetse asustusele Kuu lõunapooluse lähedal – on see nihke tase ilma paranduseta lubamatu.
See on täpselt see, miks Koordineeritud Kuu Aeg (LTC) on välja töötada: tagada aeastandart, mis arvestab relativistliku erinevust ja hoiab kõik kuu süsteemid sünkroniseeritud.