Который сейчас час на Марсе? Физики высчитали точную разницу с Землей

03 дек 2025, 14:40

Время — величина переменная. В масштабах внутри нашей планеты это, конечно, трудно прочувствовать, но как только мы выходим за пределы земной орбиты, игнорирование этого факта в расчетах приводит к ошибкам.

Эйнштейн предсказал это свойство еще более ста лет назад в своей теории относительности. Сегодня же он подтвержден и поправка на замедление используется и в GPS системах, и в планировании межпланетных миссий.

Суть, в принципе, понятна. Но насколько велико расхождение во времени между Землей, и, например, Марсом? Новое исследование Нила Эшби и Биджуната Патлы из Национального института стандартов и технологий (NIST) вызвалось разобраться в вопросе.

Спутниковый интернет на Марсе, вольная интерпретация
Автор: ИИ Copilot Designer//DALL·E 3 Источник: www.bing.com

Почему время вообще течет по-разному?

Здесь работают два основных физических принципа, которые тянут время в разные стороны.

Первый — гравитационное замедление времени (Общая теория относительности). Чем сильнее гравитация, тем медленнее течет время. Земля массивнее Марса, и она находится ближе к Солнцу. Гравитационный потенциал здесь глубже. Это значит, что на Земле время идет медленнее, чем на Марсе.

Второй — релятивистское замедление времени (Специальная теория относительности). Чем быстрее вы движетесь, тем медленнее течет время. Земля и Марс движутся вокруг Солнца с разными скоростями.

Марс, как известно, легче, а его гравитация слабее, и еще он дальше от Солнца. Логично предположить, что время там идет быстрее.

Насколько велика погрешность?

Часы на поверхности Марса (на ареоиде — марсианском аналоге уровня моря) идут быстрее часов на поверхности Земли (на геоиде) в среднем на 477 микросекунд в день.

Как будто совсем мало, но надо углубиться в расчеты.

Для систем навигации время — это расстояние. Сигнал движется со скоростью света (около 300 000 км/с). Ошибка в 1 микросекунду дает погрешность в местоположении в 300 метров. Ошибка в 477 микросекунд — увод координат на 143 километра каждые сутки.

Если не учесть эту поправку, то спускаемый марсоход высадится сильно дальше от расчетного места посадки. Так что синхронизация часов в этом случае — вопрос выживания миссии.

График показывает, как меняется ход времени на Марсе по сравнению с Землей и Луной на протяжении 40 лет (начиная с 1 января 2003 года, MJD 52275). Данные основаны на модели эфемерид DE440. Земля vs Марс: В среднем марсианские часы уходят вперед на 477.60 μs day⁻¹. Из-за эксцентриситета орбиты этот показатель постоянно «плавает» с амплитудой 226.79 μs day⁻¹ в течение марсианского года (1,88 земного года). Луна vs Марс: Здесь средняя разница составляет 421.55 μs day⁻¹, амплитуда колебаний такая же. Цикличность: График демонстрирует 15,8-летний цикл противостояний Марса (чередование периодов максимального сближения и удаления от Солнца). Помимо основных колебаний, наблюдается дополнительная модуляция амплитуды около ~40 μs day⁻¹ на протяжении этого цикла. Разница между скоростью хода часов относительно Земли и относительно Луны составляет стабильные ≈ 56.05 μs day⁻¹.
Автор: Neil Ashby and Bijunath R. Patla 2026 AJ 171 2 Источник: iopscience.iop.org

Почему одной цифры недостаточно?

Если бы разница была постоянной (ровно 477 микросекунд), мы бы просто синхронизировали часы с поправкой и забыли об этом. Но на деле всё сильно сложнее.

Марс вращается по орбите с эксцентриситетом 0,093. Это почти в пять раз больше, чем у Земли (0,017). Это значит, что орбита Марса — заметный эллипс. Расстояние от Марса до Солнца постоянно меняется, а значит, меняется и гравитационный потенциал, в котором находятся часы.

Исследование показывает: скорость течения времени на Марсе плавает. Амплитуда этих колебаний составляет 226 микросекунд в день в течение марсианского года.

Так что инженеры не могут зашить в компьютер одну константу. Нужен динамический алгоритм, который учитывает положение планет в реальном времени.

Что такое «солнечные приливы» и зачем они нужны?

Авторы работы обнаружили, что для точности уровня 50 наносекунд (это стандарт для современной космической навигации) нужно учитывать влияние солнечных приливов на систему Земля-Луна.

Гравитация Солнца не просто держит Землю на орбите. Она деформирует саму структуру движения Земли и Луны вокруг общего центра масс, что создает дополнительные возмущения.

Эшби и Патла разработали формализм, который учитывает эти приливные силы. Без него модель расходится с реальностью на сотни наносекунд.

(a) Остаточные ошибки при сравнении простой (кеплеровской) модели с точной моделью DE440 для системы Земля-Луна. График показывает, как без учета дополнительных факторов ошибка быстро растет, достигая значений от +-50 ns day⁻¹ до +-200 ns day⁻¹. Это демонстрирует непригодность простых моделей для точной навигации. (b) Тот же расчет, но теперь в кеплеровскую модель внесены поправки на солнечные приливы. Результат кардинально изменился: ошибки перестали расти и остаются в узком диапазоне +-3 ns day⁻¹ даже на протяжении нескольких лет. Это доказывает необходимость учета приливных сил Солнца. (c) Спектральный анализ (преобразование Фурье) оставшихся небольших ошибок из графика (b). Пики на графике показывают, что основные колебания совпадают с циклами Луны: полным и половинным синодическим (≈ 29.5 дней) и сидерическим (≈ 27.3 дней), а также имеют годовую модуляцию.
Автор: Neil Ashby and Bijunath R. Patla 2026 AJ 171 2 Источник: iopscience.iop.org

Что это значит для колонизации?

Мы не можем полагаться на земное время при работе на Марсе. Задержка сигнала составляет от 3 до 22 минут в одну сторону. Плюс релятивистский сдвиг, о котором мы говорили выше. Так что в будущем придется создать независимый стандарт времени для Марса, аналогичный земному UTC. Он будет привязан к «марсианской секунде» и учитывать местные гравитационные условия.

Исследование NIST закладывает фундамент для инфраструктуры. Прежде чем отправить людей на Марс, мы должны научиться отвечать на простой вопрос: «Который час?». И в межпланетных масштабах ответ на него требует сложного расчета с учетом массы параметров.

Главный вывод?

Реальность не интуитивна. Наш мозг эволюционировал в условиях, где время кажется абсолютным. Но для работы в космосе нам нужно принять факт: время — это гибкая величина, зависящая от массы планеты под вашими ногами и скорости вашего полета.

Источник: The Astronomical Journal

Опубликовано: Мировое обозрение Источник