Če bi postavili dve popolnoma enaki atomski uri – eno na Zemljino površino in eno na Luno – in ju preverjali po točno enem Zemljinem dnevu, bi bila Lunina ura pred približno 56,02 mikrosekund. To ni napaka ur. To je temeljno lastnost vesolja, ki jo je napovedal Albert Einstein-ova splošna teorija relativnosti pred več kot sto leti.
Razlaga Gravitacijske Časovne Dilatacije
Einsteinova splošna teorija relativnosti, objavljena leta 1915, ne opisuje gravitacije kot silo, ampak kot ukrivljenost vesoljčasa. Masivni predmeti, kot so Zemlja in Luna, upognejo tkanino vesoljčasa okrog njih, ta ukrivljenost pa vpliva na to, kako čas teče.
Temeljna načela je preprosta: močnejše gravitacijsko polje, počasnejši čas teče. Ta učinek se imenuje gravitacijska časovna dilatacija. Zemljina površinska gravitacija je približno 9,8 m/s², medtem ko Lunina je le približno 1,62 m/s² – približno šestina tako moč. Ker je Lunina gravitacijska privlačnost šibkejša, je vesoljčas tam manj ukrivljen, ure pa tečejo hitreje.
Število 56 Mikrosekund
Natančna hitrost, s katero mesečeve ure tečejo hitreje, je odvisna od razlike gravitacijskega potenciala med Zemljino in Lunino površino, plus manjši popravki za orbitalno hitrost in Zemljino vrtenje.
Gravitacijski modri premik – ure, ki tečejo hitreje pri šibkejši gravitaciji – prispeva približno +58,7 mikrosekund na dan. Toda Lunina orbitalna hitrost (približno 1,022 km/s) povzroči malo časovno dilatacijo v nasprotni smeri (učinek hitrosti iz posebne relativnosti), ki zmanjša neto dobiček za približno 2,7 mikrosekund na dan. Kombiniran rezultat je približno +56,02 mikrosekund na dan.
To število je potrdilo več neodvisnih analiz, vključno z delom NASA Jet Propulsion Laboratorija in Nacionalnega Inštituta za Standarde in Tehnologijo.
To Ni Teoretično — To je Izmerjeno
Gravitacijska časovna dilatacija je ena od najbolj natančno preverjenih napovedi v vsi fiziki. GPS sateliti, ki krožijo na približno 20 200 km višine, kjer je gravitacija šibkejša, pridobijo približno 45 mikrosekund na dan v primerjavi z Zemljinimi površinskimi urami. Brez popravka za relativnost bi se GPS položaji premikali približno 10 km na dan.
Ista fizika velja za Luno. Čeprav še nismo nameščali atomskih ur na Lunino površino, se učinek izračunava iz enakih dobro preizkušenih enačb. Formula gravitacijske časovne dilatacije daje napovedi, ki so potrjene bolje kot ena triljonina.
Zakaj je 56 Mikrosekund Pomenljivo
Za vsakodnevno človeško dejavnost je 56 mikrosekund neopazno. Toda za natančne sisteme se to hitro nakopi:
Po mesecu je Lunina ura naprej približno 1,7 milisekunde. Po letu se premik zviša na približno 20 milisekund. Od J2000.0 epohe (1. januar 2000) je kumulativni premik presegel 0,5 sekunde.
Za navigacijo svetloba potuje približno 300 metrov na mikrosekundo. Napaka 56 mikrosekund v časovnem razporedu ustreza približno 16 metrov napaki v položaju na dan. Za natančne pristanke, ki jih zahtevajo Artemisove misije – ciljanje na specifična območja blizu Lunina južnega pola – je ta raven premika brez popravka nesprejemljiva.
To je točno razlog, zakaj je Koordinirani Mesečev Čas (LTC) razvijan: zagotoviti časovni standard, ki upošteva relativistično razliko in drži vse mesečeve sisteme sinhronizirane.