Ziemskie zegarki nie sprawdzą się na Księżycu

Zagadnienie pomiaru czasu jest z jednej strony rzeczą łatwą to tłumaczenia bez stosowania szczególnie skomplikowanego aparatu matematycznego. Dlatego często jest poruszane w trakcie nauki na wcześniejszych jej szczeblach - wystarczy spojrzeć się na kwestię czasu strefowego i słonecznego, czy nawet sekundy przestępnej. Jednak, gdy wgłębić się w problem poważniej, okazuje się, że precyzyjny pomiar czasu nie jest taki prosty. Szczególnie gdy zaczyna on dotyczyć działań przeprowadzanych przez człowieka w kosmosie.

Upływ czasu a pomiar tego upływu

By zrozumieć ważkość problemu, jaki poruszył Biały Dom w dokumencie przekazanym NASA, należy zrozumieć, że to, jak płynie czas (pomińmy tutaj skomplikowane rozważania nad kierunkiem upływu), jest czym innym niż mierzenie tego, jak ten czas upływa. Czyli ujmując rzecz inaczej - o ile nasze przekonanie co do zgodności praw rządzących wszechświatem niezależnie od miejsca, w którym znajduje się obserwator, jest poprawne - zegar, na przykład atomowy, będzie wskazywał dokładnie ten sam czas na Ziemi, na Księżycu, a nawet na drugim końcu Galaktyki. Bo zjawisko, które definiuje sekundę, będzie identyczne tu i tam.

Inny będzie czas mierzony na Księżycu względem Księżyca, a inny czas Księżycowy mierzony względem Ziemi. Bo pomiar upływu czasu jest rzeczą względną.

Jednakże, gdy zaczniemy zastanawiać się nad percepcją pomiaru czasu z uwzględnieniem jego względności, co pokazał Einstein, będziemy dostrzegać różne tempo jego upływu - nazywane jest to dylatacją czasu. Wpływ na to ma zarówno masa miejsca, w którym zegar jest zlokalizowany, jak i prędkość z którą miejsce z danym zegarem porusza się względem obserwatora.

Im bliżej dużej masy, tym szybciej płynie czas, a zarazem im szybciej poruszamy się tym wolniejszy jest jego upływ. Rola dylatacji czasu staje się istotna przy bardzo dużych masach i prędkościach bliskich prędkości światła, ale też może być istotna, gdy pojawia się kwestia pomiaru odległości, których światło nie pokona w zaniedbywalnie krótkim przedziale czasu. Dlatego efekty relatywistyczne są wykorzystywane już w systemach nawigacji satelitarnej.

Co z tym wspólnego ma jednak Księżyc? Intuicja podpowiada, że ma aż 81 razy mniejszą masę, więc percepcja upływu czasu faktycznie może tam być odmienna.

Kluczowe 58,7 mikrosekundy

Księżyc istotnie jest dużo mniej masywny od Ziemi, obiega też niebieską planetę ze średnią prędkością około 1 km/s. Biorąc pod uwagę fakt, że astronauci, którzy znajdą się na Księżycu będą mierzyli czas odnosząc się do wskazań zegarów na Ziemi, wskazania zegarka, który ze sobą zabiorą, będą o 58,7 mikrosekundy wyprzedzały wskazania zegarków na Ziemi wraz z upływem każdej ziemskiej doby.

Ze względu na efekty relatywistyczne dla obserwatora na Ziemi astronauci na Księżycu będą nieco szybciej się starzeli.

To z perspektywy zwykłego człowieka bardzo mało, bo nawet po upływie miesiąca uzbiera się tego niespełna dwie tysięczne sekundy, a po roku około dwóch setnych sekundy. Dopiero po 50 latach byłaby to sekunda, co dla nas istotny już błąd pomiaru nawet dla laika. Lecz można to zrzucić na karb niedokładności zegarka i zapomnieć.

Aktywność człowieka na Księżycu jest wciąż w sferze planów, ale coraz bardziej realnych. (fot: ICON/BIG-Bjarke Ingels Group)

Jednak nie wtedy, gdy w grę wchodzą działania astronautów w przestrzeni wokółksiężycowej, precyzyjna nawigacja w przestrzeni i loty kosmiczne, a także badania naukowe.

LTC, czyli księżycowy odpowiednik UTC

Przy okazji poruszania problemu sekundy przestępnej, wyjaśniałem zagadnienie UTC, czyli uniwersalnego czasu koordynowanego. To właśnie odpowiednik takiego systemu podawania czasu Biały Dom sugeruje NASA. LTC, czyli Lunar Coordinated Time, miałby wskazywać astronautom czas w sposób uwzgledniający wspomniany szybszy względny upływ czasu na Księżycu. Mówiąc inaczej, sekunda czasu LTC byłaby minimalnie dłuższa niż sekunda czasu UTC.

Wtedy, gdy zegarki astronautów będą odpowiednio wycechowane, możliwe będzie ich dokładne synchronizowanie z czasem na Ziemi. Tak, by po długim pobycie na Księżycu wskazanie takiego zegarka wciąż było identyczne jak tego, który pozostał na Ziemi. Oznacza to też, że taki księżycowy zegarek pracujący w LTC, nie przydałby się z kolei na Ziemi.

Temat LTC to co innego niż wprowadzenie księżycowej strefy czasowej. To w praktyce rozszerzenie tego tematu na kwestie relatywistyczne. Czas LTC powinien być:

• możliwy do uzgodnienia z UTC,
• mierzony z precyzją wystarczającą dla nawigacji wokółksiężycowej i nauki,
• mierzony niezależnie od kontaktu z Ziemią.

Ostatnia cecha LTC to skalowalność na przestrzenie dalsze niż Księżyc. Bo w końcu, miejmy nadzieję, kiedyś dotrzemy w dalsze zakątki Układu Słonecznego. I choć to odległa przyszłość, podstawy funkcjonowania w niej warto budować już teraz.

Jak to zrobić? To kwestia, która w dokumencie dotyczącym standaryzacji czasu mierzonego na Księżycu, nie jest szeroko poruszana. Jednak zawarto w nim sugestię, by podobnie jak na Ziemi zegary atomowe wyznaczają wzorzec czasu, tak samo podobne zegary stanowiły wzorzec czasu LTC na Księżycu. Czasu na implementację LTC jest niewiele, bo miałoby to nastąpić nie później niż 31 grudnia 2026 r.

Źródło: SpaceNews, WhiteHouse, inf. własna