Ja jūs novietotu divus pilnīgi identiskus atomu pulksteņus – vienu uz Zemes virsmas un vienu uz Mēness – un pārbaudītu tos pēc tieši vienas Zemes dienas, Mēness pulkstenis būtu priekšā aptuveni 56,02 mikrosekunde. Tas nav kļūda pulksteņos. Tas ir fundamentāls universa īpašums, kas paredzēts Albertā Einšteina vispārējās relativitātes teorijā vairāk nekā pirms simts gadiem.
Gravitācijas Laika Dilatācijas Paskaidrojums
Einšteina vispārējā relativitāte, publicēta 1915. gadā, apraksta gravitāciju nevis kā spēku, bet kā kosmosa-laika izliekumu. Masīvie objekti, piemēram, Zeme un Mēnesis, izlenkē kosmosa-laika audumu apkārt sev, un šis izliekums ietekmē, kā laits rit.
Pamatprinciips ir vienkāršs: spēcīgāks gravitācijas lauks, lēnāks laits rit. Šo efektu sauc par gravitācijas laika dilatāciju. Zemes virsmas gravitācija ir aptuveni 9,8 m/s², savukārt Mēness ir tikai aptuveni 1,62 m/s² – apmēram vienu sesto tik spēcīga. Tā kā Mēness gravitācijas vilkšana ir vājāka, kosmosa-laiks ir mazāk izliekts tur, un pulksteņi rit ātrāk.
56 Mikrosekunde Skaitlis
Precīzais ātrums, ar kādu mēness pulksteņi rit ātrāk, ir atkarīgs no gravitācijas potenciāla starpības starp Zemes virsmu un Mēness virsmu, plus mazākas korekcijas orbītas ātrumam un Zemes rotācijai.
Gravitācijas zilie nobīde – pulksteņi ritošs ātrāk vājākā gravitācijā – iemāc aptuveni +58,7 mikrosekundes dienā. Tomēr Mēness orbītas ātrums (aptuveni 1,022 km/s) izraisa mazāku laika dilatāciju pretējā virzienā (ātruma efekts no speciālās relativitātes), samazinot tīro pieaugumu par aptuveni 2,7 mikrosekunde dienā. Kombinētais rezultāts ir aptuveni +56,02 mikrosekundēs dienā.
Šis skaitlis ir apstiprināts ar vairākiem neatkarīgiem pētījumiem, tostarp darbu no NASA Reaktīvās Virzības Laboratorijas un Nacionālā Standartu un Tehniskuma Institūta.
Tas Nav Teorētisks — Tas Ir Izmērīts
Gravitācijas laika dilatācija ir viens no precīzāk pārbaudītajiem fizikas prognozēm visā fizikas jomā. GPS satelīti, kas orbītos aptuveni 20 200 km augstumā, kur gravitācija ir vājāka, iegūst aptuveni 45 mikrosekundes dienā salīdzinājumā ar Zemes virsmas pulksteņiem. Bez korekcijas dēļ relativitātes, GPS pozīcijas drifu aptuveni 10 km dienā.
Tā pati fizika attiecas uz Mēnesi. Lai arī mēs pagaidām neesat vietojuši atomu pulksteņus uz Mēness virsmas, efekts tiek aprēķināts no tiem pašiem labi pārbaudītajiem vienādojumiem. Gravitācijas laika dilatācijas formula iegūst prognozējumus, kas apstiprināti labāk nekā viena triljonā daļa.
Kāpēc 56 Mikrosekundēs Ir Svarīga
Ikdienas cilvēka darbībai 56 mikrosekundēs nav pamanāma. Bet precīzām sistēmām tā ātri uzkrājas:
Pēc viena mēneša Mēness pulkstenis ir priekšā aptuveni 1,7 milisekundēm. Pēc viena gada nobīde pieaug līdz aptuveni 20 milisekundēm. Kopš J2000.0 epohas (2000. gada 1. janvāris), uzkrātā nobīde ir pārsniedzis 0,5 sekundes.
Navigācijai gaisma ceļo aptuveni 300 metrus par mikrosekundi. 56 mikrosekunde timingas kļūda atbilst pozīcijas nenoteiktībai aptuveni 16 metri dienā. Precīzajiem nokāpumiem, kādi nepieciešami ar Artemis misijām – mērķējot uz konkrētām vietām pie Mēness dienvidu pola – šis nobīdes līmenis ir nepieņemams bez korekcijas.
Tas ir tieši tas, kāpēc Koordinētais Mēness Laits (LTC) tiek izstrādāts: nodrošināt laika standartu, kas ņem vērā relativistisko starpību un notur visas mēness sistēmas sinhronizētas.