火星時間快于地球？原因在此

周一 · 知古通今|周二 · 牧夫?qū)?/p>

周三 · 風月同天|周四 · 觀測指南

周五 · 深空探測|周六 · 茶余星話|周日 · 太空探索

作者：Keith Cooper

翻譯：向藝文

美編：劉艷梅

原文：Keith Cooper https://www.space.com/astronomy/mars/time-travels-faster-on-mars-than-on-earth-and-heres-why

1

“三體問題本就極其復(fù)雜，如今我們面對的卻是四體：太陽、地球、月球與火星。這其中的計算難度遠超我最初的設(shè)想。”

圖1：火星時間平均每日比地球快477微秒。（圖片來源：美國宇航局）

由于愛因斯坦廣義相對論的影響，火星上時間流逝平均每天比地球快477微秒。科學家指出，這一差異將對未來可能覆蓋內(nèi)太陽系的導(dǎo)航與通信網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生深遠影響。

美國國家標準與技術(shù)研究院（NIST）的尼爾·阿什比（Neil Ashby）和比朱納特·帕特拉（Bijunath Patla）通過綜合考慮火星重力強度（僅為地球的1/5）、火星繞日運行的速度與軌道偏心率，以及太陽、地球和月球?qū)鹦堑囊τ绊懀_計算出了火星與地球之間的時間差異。

帕特拉在聲明中指出：“火星與太陽的距離及其偏心軌道使時間差異更為顯著。三體問題本就極其復(fù)雜，如今我們面對的卻是四體：太陽、地球、月球與火星。其中的艱巨計算遠超我最初的設(shè)想。”

愛因斯坦的廣義相對論闡釋了時鐘運行速率如何因其所處的參考系（由速度與引力場決定）而改變。我們將這種現(xiàn)象稱為時間膨脹。著名的雙生子佯謬正是基于此理論：若雙胞胎中的一人搭乘近光速飛船前往太空，另一人留在地球。當宇航員返回時，他會比留在地球的兄弟更年輕——因為越接近光速，時鐘走得越慢。同理，黑洞附近因引力場遠超地球，時間流逝也會顯著變慢。

由于火星距離太陽比地球更遠，其公轉(zhuǎn)速度較慢，這自然導(dǎo)致火星上的時鐘比地球走得慢。但火星繞日軌道比地球偏心率更高（更接近橢圓形），意味著火星在稍近太陽時會略微加速，稍遠時則會減速。同時，在火星年周期中，其與太陽及地月系統(tǒng)引力場的距離也在持續(xù)變化。這些因素共同作用，決定了火星時鐘相對于地球的運行速率。對火星上的宇航員而言，一秒仍是一秒；但從地球觀測者的視角看，火星上的一秒會比地球時鐘測得的一秒流逝得更快。

雖然火星與地球時鐘日均差異為477微秒，但根據(jù)火星在軌道上相對于地球和月球的位置，這一差值最多可增減226微秒。盡管火星與地球的時間膨脹效應(yīng)遠不如相對論飛船或黑洞視界附近顯著，卻足以對未來可能圍繞火星建立的導(dǎo)航通信系統(tǒng)造成重大干擾。例如，5G網(wǎng)絡(luò)要求時間精度必須保持在0.1微秒以內(nèi)。精確掌握時間差異將使地球與火星網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)同步（需考慮行星間光速傳播時間），從而確保信息傳輸效率。

阿什比表示：“雖然火星表面遍布漫游車軌跡的景象可能還需數(shù)十年，但提前研究在其他行星和衛(wèi)星建立導(dǎo)航系統(tǒng)所涉及的問題具有重要意義。像是現(xiàn)有的全球定位系統(tǒng)，這些系統(tǒng)將依賴于精確時鐘，而時鐘速率的影響可以通過愛因斯坦廣義相對論進行分析。”

阿什比和帕特拉此前曾計算出月球與地球的時間差異，發(fā)現(xiàn)月球時鐘每天比地球快56微秒。

帕特拉對此表示：“研究月球和火星時間差異的時機已經(jīng)成熟。這是我們最接近科幻愿景中太陽系擴張藍圖的時刻。”

他們的研究成果已于12月1日發(fā)表在《天文學期刊》上。

責任編輯：陳瑋菁

牧夫新媒體編輯部

謝謝閱讀

『天文濕刻』 牧夫出品

微信公眾號：astronomycn

3I ATLAS：一顆星際彗星的彗尾

圖片來源及版權(quán)：Victor Sabet & Julien De Winter