火星現(xiàn)在幾點(diǎn)鐘？物理學(xué)家首次給出精確答案

美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）的物理學(xué)家首次精確計(jì)算出“火星時(shí)間”的流逝速度，給出了一套可在地球與火星之間統(tǒng)一計(jì)時(shí)的參考方案，被認(rèn)為是未來(lái)深空導(dǎo)航和星際通信的關(guān)鍵基礎(chǔ)之一。 研究顯示，相比地球，同樣的一天內(nèi)，火星上的時(shí)鐘每天會(huì)快 477 微秒，而且這一差值并非恒定，會(huì)在一個(gè)火星年內(nèi)隨軌道形狀和引力環(huán)境變化而在約 226 微秒范圍內(nèi)上下波動(dòng)。

在地球上，人類(lèi)已經(jīng)依靠原子鐘、衛(wèi)星系統(tǒng)和高速通信網(wǎng)絡(luò)，建立起極為精密的統(tǒng)一時(shí)間體系，使“現(xiàn)在幾點(diǎn)”成為一個(gè)可以準(zhǔn)確回答的問(wèn)題。 然而愛(ài)因斯坦的相對(duì)論表明，時(shí)間并非在宇宙中處處以同樣的速度流逝，引力強(qiáng)弱與運(yùn)動(dòng)速度都會(huì)讓鐘表走快或走慢，這給跨星球的時(shí)間同步帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。 NIST 科學(xué)家指出，要在火星上開(kāi)展長(zhǎng)期有人或無(wú)人活動(dòng)，首先必須回答一個(gè)看似基礎(chǔ)卻極難量化的問(wèn)題：火星上的“標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間”究竟該如何精確定義和換算。

這項(xiàng)新研究以火星表面選定參考點(diǎn)為基準(zhǔn)，類(lèi)似地球上以海平面和赤道為零點(diǎn)的做法，綜合考慮了火星表面重力、軌道形狀以及太陽(yáng)、地球和月球等天體的引力影響。 由于火星表面重力約為地球的五分之一，再加上火星公轉(zhuǎn)軌道更偏心、受多天體引力擾動(dòng)更強(qiáng)，因此其時(shí)間速率變化比地球和月球復(fù)雜得多。 研究人員表示，這一“四體問(wèn)題”（太陽(yáng)、地球、月球和火星）的計(jì)算難度遠(yuǎn)超預(yù)期，需要將廣義相對(duì)論的效應(yīng)全面納入，才能得到可用于工程的精確結(jié)果。

火星的一天（自轉(zhuǎn)周期）比地球長(zhǎng)約 40 分鐘，一年約相當(dāng)于 687 個(gè)地球日，但過(guò)去人們對(duì)“火星上一秒究竟比地球上一秒快或慢多少”的認(rèn)知仍十分粗略。 新論文給出的每日 477 微秒基準(zhǔn)偏差以及在火星年內(nèi)約 226 微秒的可變范圍，為這種“星際時(shí)區(qū)差”提供了可計(jì)算、可預(yù)報(bào)的模型。 研究成果發(fā)表在《天文學(xué)雜志》，也是 NIST 繼 2024 年提出月球精確授時(shí)方法后，將相對(duì)論時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)推廣至更遠(yuǎn)星體的重要一步。

科研團(tuán)隊(duì)指出，這些微小差異在未來(lái)的深空通信和導(dǎo)航系統(tǒng)中至關(guān)重要，因?yàn)楝F(xiàn)代高速通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)間同步精度的要求已經(jīng)進(jìn)入微秒甚至亞微秒級(jí)別，例如 5G 網(wǎng)絡(luò)就要求在十分之一微秒量級(jí)內(nèi)保持時(shí)鐘一致。 目前地球與火星之間的無(wú)線(xiàn)通信受限于兩者間距，單程信號(hào)延遲在數(shù)分鐘到二十多分鐘不等，形象地說(shuō)，更像“電報(bào)前時(shí)代”依靠船只往返運(yùn)送書(shū)信。 研究人員認(rèn)為，一旦建立起行星之間統(tǒng)一、精確的時(shí)間基準(zhǔn)，將有助于構(gòu)建跨行星的同步網(wǎng)絡(luò)，使星際通信在信息完整性和協(xié)同能力上接近“準(zhǔn)實(shí)時(shí)”體驗(yàn)，即便傳播延遲仍然客觀存在。

作者強(qiáng)調(diào)，這項(xiàng)工作不僅為未來(lái)在火星部署導(dǎo)航與定位系統(tǒng)鋪路——類(lèi)似今日地球上的 GPS，還具有重要的基礎(chǔ)物理意義。 通過(guò)對(duì)遠(yuǎn)距行星上鐘表走時(shí)的精確預(yù)測(cè)和對(duì)比，可進(jìn)一步檢驗(yàn)和豐富愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論關(guān)于時(shí)間與引力關(guān)系的理論框架。 研究人員表示，人類(lèi)可能要幾十年后才會(huì)在火星表面留下密集的車(chē)轍，但現(xiàn)在就解決“火星幾點(diǎn)鐘”的問(wèn)題，有助于為未來(lái)的探測(cè)器、導(dǎo)航星座以及載人基地預(yù)先厘清所有與時(shí)間相關(guān)的技術(shù)細(xì)節(jié)。