火星上的時間過得更快，科學家剛剛證明了這一點

這種精度自然不會延伸到地球之外。阿爾伯特·愛因斯坦證明，時間在宇宙中的任何地方移動的速度並不相同。時鐘速度取決於重力，這意味著時鐘在重力較強時運行速度稍慢，在重力較弱時運行速度較快。協調各地的時間也很複雜。將這種協調擴展到整個太陽係要困難得多。對於未來想要在火星上生活和工作的探險家來說，首先必須回答一個基本問題：火星上現在幾點了？

科學家首次計算火星上的時間

美國國家標準與技術研究所（NIST）的物理學家現在給出了明確的答案。他們的計算表明，火星時鐘平均比地球時鐘快 477 微秒（百萬分之一秒）。這種差異不是恆定的。由於火星軌道拉長以及其他天體的引力影響，火星年期間每天的時差可能相差226微秒。

這項研究最近發表在《天文學雜誌》上，基於 2024 年的一項研究，其中 NIST 科學家概述了高精度月球計時的框架。

NIST 物理學家 Bijunath Patla 表示，了解火星上的時間如何流逝對於未來的任務至關重要。隨著美國宇航局準備對火星進行更先進的探索，精確的計時對於跨行星際距離的導航、通信和協調至關重要。

“對於月球和火星來說，時機是正確的，”帕特拉說。 “這是我們最接近實現跨越太陽系的科幻願景的一次。”

火星時區

火星的運行時間表在很多方面都與地球不同。火星日比地球日長 40 分鐘，火星年跨越 687 個地球日，而火星年則跨越 365 個地球日。除了這些明顯的差異之外，科學家還必須確定火星上每一秒的流逝速度是否與地球上相同。

放置在火星表面的原子鐘可以正常工作。時鐘本身會像在地球上一樣滴答作響。當將火星上的時鐘與地球上的時鐘進行比較時，問題就出現了。隨著時間的推移，兩個時鐘逐漸分開。科學家的任務是確定這種轉變的幅度，類似於定義行星時區。

這個計算比想像的要困難。根據愛因斯坦的相對論，引力改變了時間的流動。當重力較強時，時鐘會減慢；當重力較弱時，時鐘會加速。行星在太空中的運動也會影響時間的流逝，因為軌道速度會引起額外的變化。

引力、軌道和相對論

為了使計算成為可能，NIST 研究人員在火星表面選擇了一個特定的參考點，相當於地球赤道的海平面。帕特拉和 NIST 的物理學家尼爾·阿什比利用多年火星任務收集的數據計算了火星的表面重力，該重力比地球弱五倍。

火星的引力不足以解釋整個情況。太陽係是一個充滿大量物體的動態環境，這些物體不斷地相互拉扯。太陽佔太陽系總質量的99%以上，其引力影響主導著行星的運動。

火星在太陽系中的位置——它與太陽以及地球、月球、木星和土星等鄰居的距離——迫使它進入一個更長、更偏心的軌道。相比之下，地球和月球遵循相對穩定的路徑。因此，月球上的時間每天比地球上快 56 微秒。

“但對於火星來說，情況並非如此。它與太陽的距離和偏心軌道使得時間變化更大。三個天體的問題非常複雜。現在我們要處理四個天體：太陽、地球、月球和火星。”帕特拉解釋道。 “舉起重物比我一開始想像的要難。”

在考慮了火星表面引力、軌道運動以及太陽、地球和月球引力的影響後，帕特拉和阿什比得出了最終的計算結果。

為太陽系互聯網鋪平道路

4.77 億秒的差異似乎微不足道。大約是眨眼時間的千分之一。然而，這種微小的差異在現代技術中卻意義重大。例如，5G 通信系統要求計時精度在十分之一微秒以內。

如今，地球和火星之間發送的信息需要 4 到 24 分鐘才能到達，有時甚至更長。帕特拉將這種情況與電報時代出現之前的通信進行了比較，當時手寫的信件通過輪船穿越海洋，需要數週或數月的時間才能收到回复。

可靠的行星際計時技術的發展最終可以實現整個太陽系的同步通信網絡。

“對於月球和火星來說，時機恰到好處。這是我們最接近實現跨越太陽系的科幻願景的一次。” Bijunath Patla，NIST 物理學家

“如果你實現同步，這幾乎就像實時通信，不會丟失任何信息。你不必等著看會發生什麼，”帕特拉說。

為未來的火星探索做準備

完全同步的行星際網絡仍然是遙遠的未來，人類在火星上的永久定居也是如此。然而，阿什比指出，研究這些時間挑戰現在可以幫助科學家預測障礙。

阿什比說：“火星表面可能要過幾十年才能被流浪紅寶石的踪跡覆蓋，但現在研究在其他行星和衛星上建立導航系統所涉及的問題是有用的。” “就像當前的全球導航系統（例如 GPS）一樣，這些系統將依賴於精確的時鐘，並且可以使用愛因斯坦的廣義相對論來分析對時鐘速度的影響。”

帕特拉補充說，研究也推動了基礎科學的發展。測量時間在遙遠世界上的表現為愛因斯坦的狹義相對論和廣義相對論提供了新的檢驗。

“很高興第一次知道火星上在時間方面發生了什麼。以前沒有人知道這一點。它提高了我們對理論本身、時鐘如何運行以及相對論的了解，”他說。 “時間的流逝是相對論的基礎：如何認識它、如何計算它以及導致它的原因。它們看起來是簡單的概念，但計算起來可能相當複雜。”