ทำไมเวลาบนดวงจันทร์ถึงเดินเร็วกว่า

ถ้าคุณวางนาฬิกาอะตอมที่เหมือนกันสมบูรณ์สองเรือน — เรือนหนึ่งบนพื้นผิวโลกและอีกเรือนบนดวงจันทร์ — แล้วตรวจสอบหลังจากผ่านไปหนึ่งวันโลกพอดี นาฬิกาบนดวงจันทร์จะนำหน้าประมาณ 56.02 ไมโครวินาที นี่ไม่ใช่ข้อบกพร่องของนาฬิกา แต่เป็นคุณสมบัติพื้นฐานของจักรวาล ตามที่ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ทำนายไว้เมื่อกว่าศตวรรษก่อน

อธิบายการขยายตัวของเวลาเชิงแรงโน้มถ่วง

ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ ตีพิมพ์ในปี 1915 อธิบายแรงโน้มถ่วงไม่ใช่ในฐานะแรง แต่เป็นความโค้งของกาลอวกาศ วัตถุมวลมากเช่นโลกและดวงจันทร์บิดเนื้อผ้าของกาลอวกาศรอบๆ ตัว และความโค้งนี้ส่งผลต่อเวลาที่ผ่านไป

หลักการสำคัญนั้นง่าย: สนามแรงโน้มถ่วงยิ่งแรง เวลายิ่งผ่านช้า ผลกระทบนี้เรียกว่าการขยายตัวของเวลาเชิงแรงโน้มถ่วง แรงโน้มถ่วงที่พื้นผิวโลกประมาณ 9.8 m/s² ขณะที่ดวงจันทร์มีเพียงประมาณ 1.62 m/s² — ประมาณหนึ่งในหกของโลก เนื่องจากแรงดึงดูดของดวงจันทร์อ่อนกว่า กาลอวกาศจึงโค้งน้อยกว่าที่นั่น และนาฬิกาจึงเดินเร็วกว่า

ตัวเลข 56 ไมโครวินาที

อัตราที่นาฬิกาดวงจันทร์เดินเร็วกว่านั้นขึ้นอยู่กับความแตกต่างของศักย์แรงโน้มถ่วงระหว่างพื้นผิวโลกและพื้นผิวดวงจันทร์ บวกกับการแก้ไขเล็กน้อยสำหรับความเร็ววงโคจรและการหมุนของโลก

การเลื่อนน้ำเงินเชิงแรงโน้มถ่วง — นาฬิกาเดินเร็วกว่าในแรงโน้มถ่วงที่อ่อนกว่า — มีส่วนประมาณ +58.7 ไมโครวินาทีต่อวัน อย่างไรก็ตาม ความเร็ววงโคจรของดวงจันทร์ (ประมาณ 1.022 km/s) ทำให้เกิดการขยายตัวของเวลาเล็กน้อยในทิศทางตรงข้าม (ผลกระทบที่ขึ้นกับความเร็วจากสัมพัทธภาพพิเศษ) ลดผลกำไรสุทธิลงประมาณ 2.7 ไมโครวินาทีต่อวัน ผลรวมคือประมาณ +56.02 ไมโครวินาทีต่อวัน

ตัวเลขนี้ได้รับการยืนยันจากการวิเคราะห์อิสระหลายแห่ง รวมถึงงานของ Jet Propulsion Laboratory ของ NASA และ National Institute of Standards and Technology

นี่ไม่ใช่ทฤษฎี — มันถูกวัดแล้ว

การขยายตัวของเวลาเชิงแรงโน้มถ่วงเป็นหนึ่งในการทำนายที่ทดสอบอย่างแม่นยำที่สุดในฟิสิกส์ทั้งหมด ดาวเทียม GPS ที่โคจรที่ระดับความสูงประมาณ 20,200 กม. ที่แรงโน้มถ่วงอ่อนกว่า นำหน้านาฬิกาภาคพื้นดินประมาณ 45 ไมโครวินาทีต่อวัน หากไม่แก้ไข ตำแหน่ง GPS จะเบี่ยงเบนประมาณ 10 กม. ต่อวัน

ฟิสิกส์เดียวกันนี้ใช้กับดวงจันทร์ แม้ว่าเรายังไม่ได้วางนาฬิกาอะตอมบนพื้นผิวดวงจันทร์ แต่ผลกระทบได้คำนวณจากสมการที่ผ่านการทดสอบแล้วเดียวกัน สูตรการขยายตัวของเวลาเชิงแรงโน้มถ่วงให้การทำนายที่ได้รับการยืนยันดีกว่าหนึ่งส่วนในล้านล้าน

ทำไม 56 ไมโครวินาทีจึงสำคัญ

สำหรับกิจกรรมประจำวันของมนุษย์ 56 ไมโครวินาทีนั้นรับรู้ไม่ได้ แต่สำหรับระบบที่ต้องการความแม่นยำ มันสะสมอย่างรวดเร็ว:

หลังจากหนึ่งเดือน นาฬิกาดวงจันทร์จะนำหน้าประมาณ 1.7 มิลลิวินาที หลังจากหนึ่งปี ค่าชดเชยจะเพิ่มเป็นประมาณ 20 มิลลิวินาที ตั้งแต่ยุค J2000.0 (1 มกราคม 2000) การเบี่ยงเบนสะสมเกิน 0.5 วินาทีแล้ว

สำหรับการนำทาง แสงเดินทางประมาณ 300 เมตรต่อไมโครวินาที ข้อผิดพลาดจังหวะ 56 ไมโครวินาทีสอดคล้องกับความไม่แน่นอนของตำแหน่งประมาณ 16 เมตรต่อวัน สำหรับการลงจอดแม่นยำที่ภารกิจ Artemis ต้องการ — กำหนดเป้าหมายพื้นที่เฉพาะใกล้ขั้วใต้ดวงจันทร์ — ระดับการเบี่ยงเบนนี้ไม่อาจยอมรับได้โดยไม่มีการแก้ไข

นี่คือเหตุผลที่ เวลาดวงจันทร์ประสานงาน (LTC) กำลังถูกพัฒนา: เพื่อจัดให้มีมาตรฐานเวลาที่คำนึงถึงความแตกต่างเชิงสัมพัทธภาพและรักษาระบบดวงจันทร์ทั้งหมดให้ซิงโครไนซ์กัน