火星時(shí)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(wèn)題本就極其復(fù)雜，如今我們面對(duì)的卻是四體：太陽(yáng)、地球、月球與火星。這其中的計(jì)算難度遠(yuǎn)超我最初的設(shè)想。”

圖1：火星時(shí)間平均每日比地球快477微秒。（圖片來(lái)源：美國(guó)宇航局）

由于愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論的影響，火星上時(shí)間流逝平均每天比地球快477微秒。科學(xué)家指出，這一差異將對(duì)未來(lái)可能覆蓋內(nèi)太陽(yáng)系的導(dǎo)航與通信網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)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(guò)綜合考慮火星重力強(qiáng)度（僅為地球的1/5）、火星繞日運(yùn)行的速度與軌道偏心率，以及太陽(yáng)、地球和月球?qū)鹦堑囊τ绊懀_計(jì)算出了火星與地球之間的時(shí)間差異。

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

愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論闡釋了時(shí)鐘運(yùn)行速率如何因其所處的參考系（由速度與引力場(chǎng)決定）而改變。我們將這種現(xiàn)象稱為時(shí)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(dāng)宇航員返回時(shí)，他會(huì)比留在地球的兄弟更年輕——因?yàn)樵浇咏馑伲瑫r(shí)鐘走得越慢。同理，黑洞附近因引力場(chǎng)遠(yuǎn)超地球，時(shí)間流逝也會(huì)顯著變慢。

由于火星距離太陽(yáng)比地球更遠(yuǎn)，其公轉(zhuǎn)速度較慢，這自然導(dǎo)致火星上的時(shí)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(yáng)時(shí)會(huì)略微加速，稍遠(yuǎn)時(shí)則會(huì)減速。同時(shí)，在火星年周期中，其與太陽(yáng)及地月系統(tǒng)引力場(chǎng)的距離也在持續(xù)變化。這些因素共同作用，決定了火星時(shí)鐘相對(duì)于地球的運(yùn)行速率。對(duì)火星上的宇航員而言，一秒仍是一秒；但從地球觀測(cè)者的視角看，火星上的一秒會(huì)比地球時(shí)鐘測(cè)得的一秒流逝得更快。

雖然火星與地球時(shí)鐘日均差異為477微秒，但根據(jù)火星在軌道上相對(duì)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(shí)間膨脹效應(yīng)遠(yuǎn)不如相對(duì)論飛船或黑洞視界附近顯著，卻足以對(duì)未來(lái)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(shí)間精度必須保持在0.1微秒以內(nèi)。精確掌握時(shí)間差異將使地球與火星網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)同步（需考慮行星間光速傳播時(shí)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(wèn)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(shí)鐘，而時(shí)鐘速率的影響可以通過(guò)愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論進(jìn)行分析。”

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

帕特拉對(duì)此表示：“研究月球和火星時(shí)間差異的時(shí)機(jī)已經(jīng)成熟。這是我們最接近科幻愿景中太陽(yáng)系擴(kuò)張藍(lán)圖的時(shí)刻。”

他們的研究成果已于12月1日發(fā)表在《天文學(xué)期刊》上。

責(zé)任編輯：陳瑋菁

牧夫新媒體編輯部

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