美国国家航空航天局(NASA)正式开始着手制定一个属于月球的标准时间,这个被称为“协调月球时”(LTC)的时间系统或将于2026年底前创建完成。

在月球上 钟表居然走得更快!美国要制定“标准月球时间”  第1张
图源: Dima Zel

之所以要在2026年底之前完成这项工作,是因为美国阿耳忒弥斯3号任务计划不早于 2026 年将载人宇航员送至月球南极附近,到时美国的宇航员和航天器正好就可以使用这个月球的时间系统。

那么,有趣的问题是,为什么这次登月需要专门创建月球的标准时间,之前的阿波罗登月任务没有月球标准时间不也挺好的吗?

阿波罗登月的时候确实没有使用月球的时间——当时宇航员的手表同步的是休斯顿所在时区的时间(火箭发射地)。

但月球标准时间确实有必要,甚至是不可或缺的,主要原因是时间在现代科技领域扮演着最至关重要的角色,而月球的时间流逝方式和地球并不一样,这会导致一些工作出错或者无法开展。

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图源:Pixabay / Christy Miller

月球上的钟表走得更快

由于潮汐锁定,月球有一面永远对着我们,所以可能有些人认为月球不会有白天和黑夜的变化。

实际上月球也在自转,太阳也会照到它不同区域,所以月球是有昼夜之分的,只是因为潮汐锁定,它的自转和公转周期保持一致,相当缓慢,它的白天和黑夜都差不多有2周左右时间。

地球的一天24小时是根据白天黑夜定义的,这似乎不是很适合月球,这是制定月球标准时间的原因之一,但并不是主要原因。

最主要的原因是月球的引力比地球小很多,这导致那里的时间走得比地球上更快。

如果在月球的航天器或者宇航员同样引用地球标准时间的话,那么每天那里的表都会快走大约 58.7 微秒(后面我会解释为什么这个误差无法接受),这个就是所谓的时间膨胀。

爱因斯坦是最早发现这一点的科学家,他最初相信光速是恒定的,并以此推导出狭义相对论。

爱因斯坦对光速不变的解释是,光速对任何参考系都是不变的,无论你多快,光速相对你都不变。

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图:移动火车A射出的箭比禁止的B会快,但光速不同,它是一样的

不仅如此,如果有两个人同时移动,无论这两个人的速度相差多少,光速相对这两个人都是一样的,比如你以99%光速移动,而另外一个人以1%的光速移动,但是光速相对你们两个人的速度都是一样的。

这个很难理解,非常反直觉,但是爱因斯坦天才地方就是找到了解释方案,他认为在运动过程中时间发生了变化。

你的时间和另外一个人的时间是不一样的,你的速度更快,则时间流逝更慢,所以你看到的光速和另外一个人看到的光速一样。

这就是狭义相对论,它解释了速度的时间膨胀,这个已经在观测实验中得到验证。

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图源:NASA

由于空间站的速度更快,所以上面携带的原子钟记录下了更慢的时间,另外科学家也已经用原子钟观察到速度低于10米每秒的速度时间膨胀。

在狭义相对论之后,爱因斯坦又开始思考引力,他同样用时间的相对流逝解释了引力的本质,这便是广义相对论。

我们可以不用理解广义相对论具体内容,只需要知道引力也会导致时间膨胀,而且是你处在引力越大的地方时间流逝越慢。

这点同样已经通过原子钟观察到高度差仅为1米的地球表面的引力时间膨胀,这个实验和我前文提到的“10米每秒的速度时间膨胀”都是在2010年就已经完成的。

月球引力和地球不一样,所以时间自然就不一样了,时间膨胀可以通过公式计算出来,我这边找到现成的答案,月球上每天会比地球快58.7 微秒——一年差不多少快个0.02秒。

那么,现在还有一个问题,真的有必要为了这一年的0.02秒误差来设置一个月球独立的时间吗?

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为什么同步非常重要?

如果你经常使用计算机并试图解决一些计算机上网故障的话,你可能会涉及到把时间同步一下的操作。

我个人这样操作过很多次,特别是计算机普及度还不是很高的年代,每次网络无法连接的时候,通常只要重新同步一下电脑的时间,就可以正常上网了。

老实说,我并不知道其中的原因,也从来没有去了解过为什么同步时间就可以重新上网,但是为了写这篇文章,我简单了解了下其中的原因。

其实为了互联网的安全,保护你我的个人隐私,以及你的个人电脑访问服务器时免受第三方攻击,这里有一个所谓的公钥证书系统,在你每次访问网站时它都会给你建立一个远程方的身份证书,从而提高安全系数。

这个公钥证书系统的关键就是时间,如果你电脑的时间没有同步的话,就无法正确建立这个证书,自然就无法对外访问了。

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另外,我们现在许多线上交易,为了提高安全系数,有一个时间戳(其实现在文件、事件、图像等都引入了这个)概念——指的是数据在某个特定时间点是完整存在过了,这样可以确保第三方在之后无法篡改这些数据。

总得来说,如果你要在月球使用互联网相关的服务,就必须时间同步,不然数据会出错,如果要取消时间相关设定,那么安全就无法保障。

你可能会问,我们的北京时间和其它地方时间难道是一样的吗?

虽然,世界各个地区的人根据自己所在地球的位置来设置时间——也就是所谓的时区,但全球所有时区都是根据单一协调世界时 (UTC) 定义的。

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2017 Sunyixun

协调世界时由位于法国巴黎的国际计量局制定,它使用全球各地的原子钟组合创建,这些原子钟将自己的时间输入巴黎中央实验室,以确保每个国家的时钟同步,这便是全球互联网的基础。

不过,互联网和线上交易并不是唯一需要根据时间来运行的东西,实际上更为重要的是全球导航系统,它也是以时间为基础的,这个在月球任务中最为重要。

我们知道导航是根据卫星实现的,而卫星判断你的位置是根据时间,卫星信号会比地面上的当前时间晚几分之一秒到达,因此可以利用时间差以惊人的精度确定一个人在地球表面的位置。

在卫星导航中,要想获得准确的位置,需要达到纳秒级的误差水平才行,而就像我们前面提到的,月球和地球的时间误差有58.7 微秒,如果在月球上同样使用协调世界时的话,那么将会出现严重的位置偏差。

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图源:NASA

以前的登月任务是粗糙的,任务也单一,没有精细化的运作,而21世纪的登月任务明显已经进入了一个要在月球长期工作的阶段,所以创建月球的标准时间是必要的,有些科学家甚至已经提出了要创建火星,以及其它天体的时间了。

最后

不过,关于月球标准时间还有一个关键的问题,那就是到底由谁来创建,或者由谁牵头。

其实不仅美国国家航空航天局在做这件事情,欧空局也早就在做了

由于大家都有自己的优先事项和愿景,这让创建月球标准时间变得相当复杂。