Digital Age: Ето защо трябва да изпратим часовници на Луната - и то скоро

Може би най-голямата и завладяваща причудливост на нашата Вселена е проблемът с измерването на времето: Секундите минават малко по-бързо на върха на планината, отколкото в долините на Земята. На практика повечето хора не се притесняват за тези разлики, но подновената космическа надпревара кара Съединените щати и техните съюзници, както и Китай, да се стремят към създаване на постоянни поселища на Луната и това отново извежда на преден план особеностите на времето.

Учените не се стремят просто да създадат нова „часова зона“ на Луната, както сензационно предполагат някои скорошни заглавия. По-скоро американската космическа агенция НАСА и нейните партньори се стремят да създадат изцяло нова „скала на времето“ или система за измерване, която да отчита факта, че на Луната секундите минават по-бързо.

В резултат на тези усилия, изследователи от Лабораторията за реактивно движение на НАСА разработиха нова система за измерване на лунното време. Макар да не е необходимо за ежедневния график на повечето хора, установяването на времето на лунната повърхност в сравнение с времето на Земята е жизненоважно за осъществяването на постоянно човешко присъствие на Луната.

През вече изминалата година администрацията на бившия американски президент Джо Байдън нареди на НАСА да започне работа по изчисляването на координирано лунно време. Но благодарение на сложността на гравитационната сила и относителността часовниците на участниците в мисията „Артемида“ ще се движат по различен начин от тези у дома в САЩ. Това означава изцяло нови часовници, проектирани да работят възможно най-точно и надеждно. Според проучване, ключът към новата система е един физичен феномен, свързан с трансформацията на времето, по-известен като „разширение на времето“.

Работата на учените е концептуално съобразена с по-широките цели за стандартизиране на времето в лунна и дълбококосмическа среда. Те са основополагащи за бъдещи лунни мисии, изискващи субнаносекундна синхронизация за навигация, комуникация и научни операции.

Дължината на една секунда се усеща по различен начин в зависимост от гравитационната сила и относителната скорост. Например астронавт на Луната, който гледа часовник на Земята, би установил, че той губи около 56 микросекунди за едно земно денонощие. Въпреки че това количество може да звучи незначително, то се натрупва - и това може да създаде сериозни проблеми, когато става въпрос за лунни мисии на стойност няколко милиарда долара и за живота на астронавтите.

Тези системи са от решаващо значение за поддържане на оперативната ефективност, научните усилия и бъдещите търговски дейности на Луната, категорични са учените. Съществуващите ориентирани към Земята рамки са неподходящи за тези изисквания, което налага разработването на независима лунна координатна и времева система.

Кратка история на земното време

Простите слънчеви часовници или каменни образувания, които следят сенките при преминаването на слънцето над главата, отбелязват протичането на деня, както променливите фази на Луната могат да регистрират протичането на един месец на Земята. Тези природни часовници от хилядолетия следват графика на хората.

Но може би откакто механичните часовници се налагат в началото на 14 век, часовникарите станаха все по-взискателни към точността. Точното измерване на секундите също се усложнява в началото на 20 век благодарение на Алберт Айнщайн -  роденият в Германия физик, който разтърсва научната общност с теориите си за специалната и общата относителност.

Общата теория на относителността е сложна, но най-базово казано, това е рамка, която обяснява как гравитацията влияе на пространството и времето.

Представете си, че нашата Слънчева система е парче плат, окачено във въздуха. Тази тъкан е самото пространство и време, които - според теориите на Айнщайн - са неразривно свързани. И всяко небесно тяло в Слънчевата система, от Слънцето до планетите, е като тежка топка, която седи на върха на тъканта. Колкото по-тежко е топчето, толкова по-дълбока е вдлъбнатината, която то създава, изкривявайки пространството и времето.

Дори идеята за земна „секунда“ е човешко понятие, което е трудно да се измери и именно общата теория на относителността на Айнщайн обяснява защо времето тече малко по-бавно на по-ниски надморски височини - защото гравитацията има по-силно въздействие по-близо до масивен обект (като нашата планета).

Учените са намерили съвременно решение на всички усложнения на относителността при измерването на времето на Земята: За да отчетат незабележимите разлики, те са поставили няколкостотин атомни часовника на различни места по земното кълбо. Атомните часовници са свръхпрецизни инструменти, които използват вибрациите на атомите, за да измерват хода на времето, и тези часовници - в съответствие с теориите на Айнщайн - тиктакат толкова по-бавно, колкото по-близо до земната повърхност се намират.

Показанията на атомните часовници по света могат да бъдат осреднени, за да се получи възможно най-широко, но точно усещане за времето на цялата планета Земя, което ни дава координираното универсално време или UTC. Все пак понякога се включват „високосни секунди“, за да се поддържа UTC в съответствие с леките промени в скоростта на въртене на Земята. Това методично отчитане на времето помага на съвременния свят да се координира.

И как би се измервало то на Луната

Ако времето се движи по различен начин по върховете на планините, отколкото по бреговете на океана, можете да си представите, че нещата стават още по-странни колкото по-далеч от Земята пътувате. За да добавим още повече усложнения: времето също тече по-бавно, колкото по-бързо се движи човек или космически кораб, според теорията на Айнщайн за специалната теория на относителността.

Астронавтите на Международната космическа станция, например, са късметлии. Въпреки че космическата станция обикаля на около 322 километра над повърхността на Земята, тя също пътува с високи скорости - обикаляйки планетата 16 пъти на ден - така че ефектите на относителността донякъде се компенсират. Поради тази причина астронавтите в орбиталната лаборатория могат лесно да използват земното време, за да се придържат към графика.

За други мисии обаче това не е толкова просто.

За щастие учените вече имат десетилетия опит в борбата със сложността. Космическите кораби, например, са оборудвани със собствени часовници, наречени осцилатори. Така те сами поддържат времето си и повечето космически мисии – дори космически кораби, които са чак до Плутон или пояса на Кайпер, като New Horizons – разчитат на наземни станции, които са обратно на Земята, така че всичко, което правят, трябва да съответства на UTC.

Екипът на НАСА адаптира принципите на относителността, използвани при измерването на времето на Земята, към лунната среда. Те включват фактори като по-слаба лунна гравитация, която води до по-бърз ход на часовника, периодични промени на времето по време на лунната орбита и „местни гравитационни аномалии“, които влияят на времето на Луната. След това учените се обръщат към подробните данни, събрани от мисията Gravity Recovery and Interior Laboratory (GRAIL) на НАСА. Стартиралата през 2011 г. десетгодишна програма GRAIL използва двойка спътници за картографиране на повърхността на Луната, както и за измерване на нейното гравитационно поле. Екипът взе предвид и информацията, събрана от проекта Lunar Laser Ranging (LLR), който измерва орбиталните разстояния между Луната и Земята с точност до милиметър.

След изключително задълбочени изчисления и физичен анализ учените установяват, че лунното време изпреварва земното с около 56 микросекунди на ден, в зависимост от орбитата на Луната. Въпреки че тези колебания се измерват само с около 0,47 микросекунди на всеки 27,5 дни, малките отклонения могат да имат огромно значение при изчисляването на безопасното кацане на ракети, графика на мисиите и др.

Последиците от лунната времева скала и луноцентричната координатна система също така далеч надхвърлят първоначалните мисии на „Артемида“. Всички постоянни поселища на Луната ще се нуждаят от специална времева система, която да позволи по-голяма автономност. Но ако всичко върви по план и бъдат преодолени огромните логистични, финансови и научни пречки, не очаквайте да се наложи да изчислявате сложни смени на часовите пояси, както тук, на Земята.

Наличието на формула за директно преобразуване като "12:00 ч. българско време = X ч. на Луната“ не е лесно поради релативистичното отклонение между земното и лунното време. Въпреки това, ако опростим нещата за илюстрация, 12:00 ч. в София на Земята приблизително би съответствало на 12:00 ч. на Луната плюс малко отклонение, в зависимост от конкретния график на мисията.

Директива на Белия дом нарече плановете за тази нова времева скала „основополагащи“ за подновяването на усилията на САЩ за изследване на лунната повърхност. В меморандума се изисква също така НАСА да въведе такава система до края на 2026 г., същата година, в която космическата агенция се стреми да върне астронавти на Луната за първи път от пет десетилетия. Подобна рамка ще бъде от решаващо значение за хората, които посещават най-близкия ни небесен съсед. Така например, астронавтите на Луната ще напускат своите местообитания, за да изследват повърхността и да извършват научни изследвания. Те също така ще общуват помежду си или ще управляват лунните си колички, докато са на лунната повърхност. Когато се ориентират спрямо Луната, времето им трябва да е спрямо Луната. Това, което учените знаят със сигурност, е, че трябва да доставят прецизни инструменти за измерване на времето на Луната. Кой точно ще плаща за лунни часовници, кой тип часовници ще отидат и къде ще бъдат позиционирани са все въпроси, които остават нерешени. Атомните часовници са чудесни за дългосрочна стабилност, а кристалните осцилатори имат предимство за краткосрочна стабилност.

Часовници от различни видове могат да бъдат поставени в сателити, които обикалят около Луната или може би на точните места на лунната повърхност, които астронавтите един ден ще посетят. Що се отнася до цената, атомен часовник, достоен за пътуване в космоса, може да струва около няколко милиона долара като кристалните осцилатори идват значително по-евтино. Много евтините осцилатори може да изостават за милисекунди или дори за десетки милисекунди, а това е важно, защото за целите на навигацията трябва да имаме часовници, синхронизирани до 10 наносекунди. Мрежа от часовници на Луната може да работи съвместно, за да информира новата скала на лунното време, точно както атомните часовници правят за UTC на Земята.

Така за десетки физици, астрономи и други учени  следващите месеци могат да се окажат решаващи за намирането на точен начин за отчитане на лунното време - и за постигането на споразумения за това как, кога и къде да се поставят часовници на Луната.