火星時間快于地球？原因在此

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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

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“三體問題本就極其復雜，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太陽系的導航與通信網絡產生深遠影響。

美國國家標準與技術研究院（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、地球和月球對火星的引力影響，精確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，其公轉速度較慢，這自然導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引力場的距離也在持續變化。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航通信系統造成重大干擾。例如，5G網絡要求時間精度必須保持在0.1微秒以內。精確掌握時間差異將使地球與火星網絡實現同步（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十年，但提前研究在其他行星和衛星建立導航系統所涉及的問題具有重要意義。像是現有的全球定位系統，這些系統將依賴于精確時鐘，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，發現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日發表在《天文學期刊》上。

責任編輯：陳瑋菁

牧夫新媒體編輯部

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