科學家如何為月球“定時間”

美國政府指示美國國家航空航天局在2026年之前為月球制定一個統一的時間標準，稱為“協調月球時”。圖片來源：英國有線廣播公司

或許，宇宙中最引人深思的謎團之一，便潛藏于時間流逝的微妙差異之中。

高山之巔的時間竟比幽深山谷中的時間流逝得更快。這一現象對于日常生活的直接影響微乎其微。但是，隨著人類探月活動增多，為月球制定時間標準再次成為關注的焦點。

那么，月球和地球上的時間一樣嗎？美國國家航空航天局（NASA）最新計算表明，月球表面時間比地球表面時間每個地球日快57.5微秒。在人類月球探索中，這一差異可能至關重要。

什么是“協調月球時”

今年4月，美國白宮發布了一份備忘錄，指示NASA與其他政府部門合作，在2026年底前制定“協調月球時”。備忘錄顯示，該系統必須具備4個方面的品質：具備與“協調世界時”的邏輯可追溯性；足夠的具體性和準確性，能夠為極短的瞬間計時；在與地球失去聯系的情況下能夠“自給自足”；可擴展性，以便其他天體或太空環境也能參照這一時間標準。

為月球設立一個時間有助于航天器的通信、著陸和導航。白宮備忘錄指出，確定一個合適的標準，一個能夠在具有挑戰性的月球環境中運行、兼具準確性和彈性的標準，將使所有航天國家受益。

中國科學院紫金山天文臺研究員謝懿在接受科技日報記者采訪時，如此介紹協調月球時間的民間意義：“想象一下，有這么一個太空港，它需精確告知乘客飛船的起飛與抵達時間。同時，月球時間還要和地球上的時間相聯系，因為未來某一天，地球上的居民很可能要和月球上居民聯動。”

地球上時間如何計算

人類對時間精確度的追求從未停歇。20世紀初，愛因斯坦提出了狹義相對論和廣義相對論，使科學界對時間中“秒”的精確測量變得更加復雜。

廣義相對論認為，引力作用越強，時間流逝越慢。由于月球上的引力只有地球的六分之一，所以月球上的時間比地球更快，這是時間膨脹的結果。

美國有線電視新聞網報道稱，為了解決相對論帶來的時間測量難題，科學家在全球范圍部署了數百臺原子鐘。這些利用原子振動原理的超精密儀器，能夠捕捉到時間流逝的每一個細微變化。通過綜合全球各地原子鐘的讀數，科學家得出了“協調世界時”，并適時引入“閏秒”以校正地球自轉速度的變化。

不過，時間的計算遠不止于此。更復雜的是，根據愛因斯坦的狹義相對論，人或航天器移動得越快，時間過得越慢。因此，一些航天器配備有自己的時鐘，稱為晶體振蕩器（簡稱“晶振”）。但是，盡管有晶振，航天器上的時間也往往需要地面校準。

為何月球時間比地球快

那么，廣義相對論和狹義相對論對計算月球時間有什么影響呢？

謝懿告訴記者，若將兩臺時鐘分別置于地球和月球上，兩者所受的引力強度及運動狀態截然不同（地球上的時鐘受到更強的引力作用），同時，它們的運動速度也存在顯著差異。這種差異將導致即便初始時刻兩鐘讀數一致，但隨著時間推移，它們也將逐漸產生偏差。

NASA通過計算月球，地球和太陽之間的相對運動，得出了每天57.5微秒差異這一數字。這意味著在50年的時間里，月球上的宇航員要比地球上的人老一秒左右。

謝懿稱，57.5微秒這一數值就是根據廣義相對論原理計算出來的，總體上考慮了廣義和狹義相對論中引力差異和運動差異所導致的地面和月面時間之間的“漂移”。

在采訪中，謝懿向記者透露，其團隊也在進行相關研究。他們發現，地月時間除了每天有差異之外，還會存在周期性的變化。這種變化對于我國在月球附近建設的衛星導航系統而言，將產生非常重要的影響。

為月球計時，到底用原子鐘還是晶振呢？NASA戈達德太空飛行中心謝麗爾·格蘭林表示，原子鐘在長期穩定性方面非常出色，而晶振則在短期穩定性方面具有優勢，科學家還會就此繼續討論和研究。

據報道，月球時間的定義將由包括國際計量局和國際天文學聯合會在內的多個機構來定義，部分討論將于8月進行。