กี่โมงแล้ว-
ในเดือนเมษายน พ.ศ. 2567 ทำเนียบขาวได้ท้าทายนักวิทยาศาสตร์ให้กำหนดมาตรฐานเวลาทางจันทรคติ โดยมองไปข้างหน้าเพื่อเพิ่มการแสดงตนบนดวงจันทร์ในระดับสากลและฐานมนุษย์ที่มีศักยภาพในฐานะส่วนหนึ่งของของ- คำถามที่แท้จริงที่กำลังสับสนไม่ใช่ "กี่โมงแล้ว" แต่ค่อนข้าง "เร็วแค่ไหนผ่าน?"
ผู้จับเวลาคนใดก็ตามสามารถตั้งเวลาอ่านนาฬิกาได้ แต่หลักฟิสิกส์จะกำหนดว่าเวลาผ่านไปเร็วแค่ไหน ในช่วงต้นศตวรรษที่ 20ระบุว่าผู้สังเกตการณ์สองคนจะไม่ตกลงกันว่าจะนานแค่ไหนหนึ่งชั่วโมงหากพวกเขาไม่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วเท่ากันในทิศทางเดียวกัน ความขัดแย้งดังกล่าวยังเกิดขึ้นระหว่างบุคคลบนพื้นผิวโลกกับอีกบุคคลหนึ่งในวงโคจรหรือบนดวงจันทร์
“ถ้าเราอยู่บนดวงจันทร์ นาฬิกาจะเดินแตกต่างออกไป [กว่าบนโลก]” นักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีกล่าวพิชุนาถ ปัตละของสถาบันมาตรฐานและเทคโนโลยีแห่งชาติ (NIST) ในเมืองโบลเดอร์ รัฐโคโล เขาตั้งข้อสังเกตว่าการเคลื่อนที่ของดวงจันทร์สัมพันธ์กับของเราทำให้นาฬิกาเดินช้ากว่ามาตรฐานของโลก แต่แรงโน้มถ่วงที่ต่ำกว่าทำให้นาฬิกาเดินเร็วขึ้น “นี่คือเอฟเฟกต์ที่แข่งขันกันสองประการ และผลลัพธ์สุทธิของสิ่งนี้คือการดริฟท์ 56 ไมโครวินาทีต่อวัน” (นั่นคือ 0.000056 วินาที)
ปัตลาและเพื่อนร่วมงานนักฟิสิกส์ของ NISTนีล แอชบี ใช้ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ในการคำนวณจำนวนนี้การปรับปรุงจากการวิเคราะห์ครั้งก่อน พวกเขาเผยแพร่ผลงานของพวกเขาในวารสารดาราศาสตร์-
แม้ว่าความแตกต่าง 56 ไมโครวินาทีจะเล็กตามมาตรฐานของมนุษย์ แต่ก็มีความสำคัญเมื่อต้องนำทางภารกิจต่างๆ ด้วยความแม่นยำในการระบุตำแหน่งหรือการสื่อสารระหว่างโลกและดวงจันทร์
“สิ่งพื้นฐานคือความปลอดภัยในการนำทางในบริบทของระบบนิเวศบนดวงจันทร์ เมื่อคุณมีกิจกรรมบนดวงจันทร์มากกว่าที่คุณเป็นอยู่ในปัจจุบัน” กล่าวเชอริล แกรมลิง, วิศวกรระบบที่ศูนย์การบินอวกาศก็อดดาร์ด “เมื่อพูดถึงการนำทาง ความคลาดเคลื่อน 56 ไมโครวินาทีต่อวันระหว่างนาฬิกาบนดวงจันทร์กับ [นาฬิกา] บนโลกนั้นแตกต่างกันมาก ดังนั้นคุณต้องปรับให้เข้ากับสิ่งนั้น”
การนำทางที่มีความแม่นยำสมัยใหม่อาศัยการซิงโครไนซ์นาฬิกาซึ่งเกี่ยวข้องกับการประสานงานโดยใช้คลื่นวิทยุซึ่งเดินทางด้วยความเร็วแสง Gramling ตั้งข้อสังเกตว่าแสงเดินทางได้ 30 เซนติเมตร (11.8 นิ้ว) ใน 1 นาโนวินาที (0.001 ไมโครวินาที) ซึ่งเป็นระยะเวลาที่สั้นอย่างไม่น่าเชื่อตามมาตรฐานของมนุษย์ ดังนั้นหากไม่คำนึงถึงความคลาดเคลื่อน 56 ไมโครวินาที อาจส่งผลให้เกิดข้อผิดพลาดในการนำทางที่มีขนาดใหญ่ถึง 17 กิโลเมตร ต่อวัน. แม้แต่เศษเสี้ยวของสิ่งนั้นก็ยอมรับไม่ได้เมื่อพูดถึงเรื่องนี้อาร์เทมิสภารกิจซึ่งจะต้องรู้ตำแหน่งของรถแลนด์โรเวอร์ ลงจอด หรือนักบินอวกาศทุกคนให้อยู่ในระยะ 10 เมตรตลอดเวลา
ฉันว่าง! ล้มฟรี!
ผลลัพธ์ที่สำคัญของคือว่ามันไม่มีเวลาที่แน่นอน นาฬิกาบนพื้นผิวโลกจะเดินช้ากว่านาฬิกาในวงโคจรเนื่องจากผลกระทบของแรงโน้มถ่วง ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมดาวเทียม GPS จึงต้องคำนึงถึงทฤษฎีสัมพัทธภาพด้วย (เวลาสากลเชิงพิกัดและมาตรฐานอื่นๆ บนโลกใช้เครือข่ายนาฬิกาที่ถูกต้องสำหรับสิ่งเล็กๆความแตกต่างของแรงโน้มถ่วงที่ระดับความสูงต่างๆ, ด้วย.)
ที่เกี่ยวข้อง:
การระบุความแตกต่างในการบอกเวลาระหว่างโลกกับดวงจันทร์ทำให้เกิดความซับซ้อนมากขึ้น ดวงจันทร์กำลังเคลื่อนที่สัมพันธ์กับจุดใดๆ บนพื้นผิวโลกเนื่องจากการหมุนรอบตัวเองและวงโคจรของมันรอบๆ เรา ซึ่งหมายความว่านาฬิกาบนดวงจันทร์ใดๆ ก็ตามจะดูเหมือนเดินช้าลงจากมุมมองของเรา นอกจากนี้ นาฬิกาใดๆ บนดวงจันทร์ยังได้รับผลกระทบจากดวงจันทร์อีกด้วย และของโลก. (ดาวเทียมประดิษฐ์ไม่ใหญ่หรือใหญ่พอที่จะส่งผลต่อแรงโน้มถ่วงของตัวมันเอง)
การจัดการผลกระทบของทฤษฎีสัมพัทธภาพเหล่านี้อย่างเหมาะสมจำเป็นต้องเลือกกรอบอ้างอิงที่เหมาะสม แอชบีและพัทลาแก้ไขปัญหานี้โดยยอมรับว่าระบบโลก-ดวงจันทร์อยู่ในช่วงตกอย่างอิสระ ซึ่งเคลื่อนที่ภายใต้อิทธิพลของแรงโน้มถ่วงของดวงอาทิตย์เท่านั้น โดยแต่ละระบบโคจรรอบจุดศูนย์กลางมวลซึ่งกันและกัน นั่นทำให้พวกเขาสามารถกำหนดการมีส่วนร่วมจากภาวะแทรกซ้อนแต่ละอย่าง เช่น การหมุนของร่างกายแต่ละส่วน แรงขึ้นน้ำลง รูปร่างเบี่ยงเบนไปจากทรงกลมที่สมบูรณ์แบบ และอื่นๆ
Ashby และ Patla ยังได้คำนวณตำแหน่งที่เสถียรด้วยแรงโน้มถ่วงในวงโคจรระหว่างโลกและดวงจันทร์ที่เรียกว่าจุดลากรองจ์ ซึ่งสามารถนำไปใช้เป็นดาวเทียมถ่ายทอดการสื่อสารได้
ขณะเดียวกันนักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีเซอร์เกย์ โคเปคินแห่งมหาวิทยาลัยมิสซูรีและนักดาราศาสตร์จอร์จ แคปแลนของหอดูดาวกองทัพเรือสหรัฐฯคำนวณการเปลี่ยนแปลงเวลา 56 ไมโครวินาทีระหว่างโลกและดวงจันทร์อย่างอิสระ- พวกเขายังคำนวณความผันผวนของอัตรานาฬิกาเป็นระยะๆ ที่น้อยลงเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของแรงขึ้นน้ำลงเล็กน้อยจากดวงอาทิตย์และดาวพฤหัส ซึ่งเป็นผลกระทบระดับนาโนวินาทีที่ต้องนำมาพิจารณาเพื่อให้ได้ความแม่นยำในการนำทางในระดับ 10 เมตรหรือดีกว่า
“ชุมชน [สัมพัทธภาพ] ได้ให้บริการที่ดีเยี่ยมแก่เราโดยการเผยแพร่ผลงานทั้งหมดนี้” Gramling กล่าว "ตอนนี้เรามีบางอย่างที่จะนำเสนอให้กับชุมชนผู้เชี่ยวชาญด้านการจับเวลาระดับนานาชาติและพูดว่า 'นี่เป็นแบบจำลองที่เราสามารถสร้างมาตรฐานให้กับดวงจันทร์ได้หรือไม่'"
ต้องใช้เวลาหลายปีหรือหลายทศวรรษก่อนที่ดวงจันทร์จะมีมนุษย์และหุ่นยนต์มากพอที่จะต้องการการบอกเวลาในระดับนี้ อย่างไรก็ตาม นักวิทยาศาสตร์และวิศวกรตระหนักดีว่าการมีเวลามาตรฐานทางจันทรคติเป็นเวลานานก่อนที่จะมีความจำเป็นนั้นสำคัญเพียงใด ตอนนี้พวกเขาได้ก้าวแรกที่ยากลำบากในการรู้ว่าเวลาบนดวงจันทร์เป็นอย่างไร
บทความนี้เผยแพร่ครั้งแรกเมื่ออีออส.org- อ่านบทความต้นฉบับ-
