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在月球,鐘錶走得更快!美國要制定「標準月球時間」

美國國家航空航天局(NASA)正式開始着手制定一個屬於月球的標準時間,這個被稱為「協調月球時」(LTC)的時間系統或將於2026年底前創建完成。

之所以要在2026年底之前完成這項工作,是因為美國阿耳忒彌斯3號任務計劃不早於2026年將載人太空人送至月球南極附近,到時美國的太空人和航天器正好就可以使用這個月球的時間系統。

那麼,有趣的問題是,為什麼這次登月需要專門創建月球的標準時間,之前的阿波羅登月任務沒有月球標準時間不也挺好的嗎?

阿波羅登月的時候確實沒有使用月球的時間——當時太空人的手錶同步的是休斯頓所在時區的時間(火箭發射地)。

但月球標準時間確實有必要,甚至是不可或缺的,主要原因是時間在現代科技領域扮演着最至關重要的角色,而月球的時間流逝方式和地球並不一樣,這會導致一些工作出錯或者無法開展。

月球上的鐘表走得更快

由於潮汐鎖定,月球有一面永遠對着我們,所以可能有些人認為月球不會有白天和黑夜的變化。

實際上月球也在自轉,太陽也會照到它不同區域,所以月球是有晝夜之分的,只是因為潮汐鎖定,它的自轉和公轉周期保持一致,相當緩慢,它的白天和黑夜都差不多有2周左右時間。

地球的一天24小時是根據白天黑夜定義的,這似乎不是很適合月球,這是制定月球標準時間的原因之一,但並不是主要原因。

最主要的原因是月球的引力比地球小很多,這導致那裏的時間走得比地球上更快。

如果在月球的航天器或者太空人同樣引用地球標準時間的話,那麼每天那裏的表都會快走大約58.7微秒(後面我會解釋為什麼這個誤差無法接受),這個就是所謂的時間膨脹。

愛因斯坦是最早發現這一點的科學家,他最初相信光速是恆定的,並以此推導出狹義相對論。

愛因斯坦對光速不變的解釋是,光速對任何參考系都是不變的,無論你多快,光速相對你都不變。

圖:移動火車A射出的箭比禁止的B會快,但光速不同,它是一樣的

不僅如此,如果有兩個人同時移動,無論這兩個人的速度相差多少,光速相對這兩個人都是一樣的,比如你以99%光速移動,而另外一個人以1%的光速移動,但是光速相對你們兩個人的速度都是一樣的。

這個很難理解,非常反直覺,但是愛因斯坦天才地方就是找到了解釋方案,他認為在運動過程中時間發生了變化。

你的時間和另外一個人的時間是不一樣的,你的速度更快,則時間流逝更慢,所以你看到的光速和另外一個人看到的光速一樣。

這就是狹義相對論,它解釋了速度的時間膨脹,這個已經在觀測實驗中得到驗證。

由於空間站的速度更快,所以上面攜帶的原子鐘記錄下了更慢的時間,另外科學家也已經用原子鐘觀察到速度低於10米每秒的速度時間膨脹。

在狹義相對論之後,愛因斯坦又開始思考引力,他同樣用時間的相對流逝解釋了引力的本質,這便是廣義相對論。

我們可以不用理解廣義相對論具體內容,只需要知道引力也會導致時間膨脹,而且是你處在引力越大的地方時間流逝越慢。

這點同樣已經通過原子鐘觀察到高度差僅為1米的地球表面的引力時間膨脹,這個實驗和我前文提到的「10米每秒的速度時間膨脹」都是在2010年就已經完成的。

月球引力和地球不一樣,所以時間自然就不一樣了,時間膨脹可以通過公式計算出來,我這邊找到現成的答案,月球上每天會比地球快58.7微秒——一年差不多少快個0.02秒。

那麼,現在還有一個問題,真的有必要為了這一年的0.02秒誤差來設置一個月球獨立的時間嗎?

為什麼同步非常重要?

如果你經常使用計算機並試圖解決一些計算機上網故障的話,你可能會涉及到把時間同步一下的操作。

我個人這樣操作過很多次,特別是計算機普及度還不是很高的年代,每次網絡無法連接的時候,通常只要重新同步一下電腦的時間,就可以正常上網了。

老實說,我並不知道其中的原因,也從來沒有去了解過為什麼同步時間就可以重新上網,但是為了寫這篇文章,我簡單了解了下其中的原因。

其實為了互聯網的安全,保護你我的個人私隱,以及你的個人電腦訪問伺服器時免受第三方攻擊,這裏有一個所謂的公鑰證書系統,在你每次訪問網站時它都會給你建立一個遠程方的身份證書,從而提高安全係數。

這個公鑰證書系統的關鍵就是時間,如果你電腦的時間沒有同步的話,就無法正確建立這個證書,自然就無法對外訪問了。

另外,我們現在許多線上交易,為了提高安全係數,有一個時間戳(其實現在文件、事件、圖像等都引入了這個)概念——指的是數據在某個特定時間點是完整存在過了,這樣可以確保第三方在之後無法篡改這些數據。

總得來說,如果你要在月球使用互聯網相關的服務,就必須時間同步,不然數據會出錯,如果要取消時間相關設定,那麼安全就無法保障。

你可能會問,我們的北京時間和其它地方時間難道是一樣的嗎?

雖然,世界各個地區的人根據自己所在地球的位置來設置時間——也就是所謂的時區,但全球所有時區都是根據單一協調世界時(UTC)定義的。

協調世界時由位於法國巴黎的國際計量局制定,它使用全球各地的原子鐘組合創建,這些原子鐘將自己的時間輸入巴黎中央實驗室,以確保每個國家的時鐘同步,這便是全球互聯網的基礎。

不過,互聯網和線上交易並不是唯一需要根據時間來運行的東西,實際上更為重要的是全球導航系統,它也是以時間為基礎的,這個在月球任務中最為重要。

我們知道導航是根據衛星實現的,而衛星判斷你的位置是根據時間,衛星信號會比地面上的當前時間晚幾分之一秒到達,因此可以利用時間差以驚人的精度確定一個人在地球表面的位置。

在衛星導航中,要想獲得準確的位置,需要達到納秒級的誤差水平才行,而就像我們前面提到的,月球和地球的時間誤差有58.7微秒,如果在月球上同樣使用協調世界時的話,那麼將會出現嚴重的位置偏差。

以前的登月任務是粗糙的,任務也單一,沒有精細化的運作,而21世紀的登月任務明顯已經進入了一個要在月球長期工作的階段,所以創建月球的標準時間是必要的,有些科學家甚至已經提出了要創建火星,以及其它天體的時間了。

最後

不過,關於月球標準時間還有一個關鍵的問題,那就是到底由誰來創建,或者由誰牽頭。

其實不僅美國國家航空航天局在做這件事情,歐空局也早就在做了

由於大家都有自己的優先事項和願景,這讓創建月球標準時間變得相當複雜。

責任編輯: 李華  來源:怪羅科普 轉載請註明作者、出處並保持完整。

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