摘要：2024年4月，在科技发展与航天探索不断推进的大背景下，白宫向众多科学家们郑重地提出了一个极具挑战性的难题，那便是要精心构建一个专门适用于月球环境的时间标准。这一要求的提出，绝非偶然，其主要是为了有效应对美国国家航空航天局正在大力推进的“阿尔忒弥斯计划”所带来
2024年4月，在科技发展与航天探索不断推进的大背景下，白宫向众多科学家们郑重地提出了一个极具挑战性的难题，那便是要精心构建一个专门适用于月球环境的时间标准。这一要求的提出，绝非偶然，其主要是为了有效应对美国国家航空航天局正在大力推进的“阿尔忒弥斯计划”所带来的一系列新情况。随着“阿尔忒弥斯计划”的逐步实施，月球上的国际活动日益频繁，不仅有各国的航天探测器频繁造访，而且未来还存在着建设潜在人类基地的可能性，在这样的形势下，建立一个统一且准确的月球时间标准就显得尤为重要了。
实际上，在探讨月球时间标准这个问题时，真正值得深入思考的核心要点并非仅仅是日常生活中我们所熟悉的那种简单询问“现在几点了？”，而是要去探究更为深层次的“时间流逝的速度到底是怎样的呢？”毕竟，我们平日里所看到的钟表，其上面所显示的读数固然可以由负责维护和设定时间的相关专业人员，也就是所谓的时间守护者，按照一定的规则和需求来进行设定。然而，时间本身流逝的实际速度，却并非是人为能够随意决定的，而是由严谨的物理规律所严格把控的。
早在20世纪初，那位在科学界享有崇高声誉的伟大物理学家阿尔伯特·爱因斯坦，就凭借着他那超凡的智慧和深邃的洞察力，通过一系列严谨的理论研究和推导发现了一个极为重要的现象：倘若存在两个观察者，他们并非是以相同的速度朝着相同的方向进行移动，那么这两位观察者对于一小时这样一个时间长度的界定和理解，就绝对不会达成一致的看法。而这种在时间认知上存在的明显分歧，同样也鲜明地体现在身处地球表面的人与那些位于地球轨道之上或者月球之上的人之间。
来自科罗拉多州博尔德国家标准与技术研究所的理论物理学家比朱纳斯·帕特用一种通俗易懂的方式向大家解释说：“要是我们设想自己身处月球之上的话，那么就会发现，钟表所发出的滴答声所对应的时间间隔，将会和我们在地球上所习惯听到的情况有着明显的不同。”他进而详细指出，月球相对于我们所居住的地球，始终处于一种相对运动的状态，这种运动状态会使得月球上的钟表相较地球标准而言，走时会稍微慢一些；但与此同时，月球上的重力环境相较于地球来说是比较低的，而这种较低的重力又会促使钟表运行的速度变得更快一些。所以呢，这两种不同的效应就像是在进行一场相互竞争的较量，它们彼此影响、相互作用，最终经过复杂的计算和分析得出的结果是，每天会产生56微秒的时间漂移现象。
帕特和他在NIST的物理学家同事尼尔·阿什比，依据爱因斯坦所提出的广义相对论这一理论基石，对上述提到的这个56微秒的时间漂移数据进行了极为精确且细致的计算。值得一提的是，他们此次的计算工作相较之前其他研究者所做的相关分析而言，在方法的科学性和结果的准确性上都有了显著的提升与改进。随后，他们将这一具有重要价值的研究成果，郑重地发表在了在天文学领域颇具权威性的《天文杂志》之上，以便能够让更多的同行专家以及对这一领域感兴趣的人士了解到这一最新的研究进展。
虽说56微秒的时间差异，当我们以人类日常的生活、活动以及感知的标准来进行衡量的时候，确实显得是极为微小的，几乎可以忽略不计。然而，一旦涉及到要对多个复杂且要求高度精准的航天任务进行有效的指导，或者是要在地球与月球之间开展那种需要高度精确协调的通信联络等工作时，这一原本看似微小的差异就瞬间变得至关重要起来，绝对不容小觑。
美国国家航空航天局戈达德航天飞行中心的系统工程师谢丽尔·格拉姆林忧心忡忡地说道：“根本的问题在于，当未来月球生态系统中的活动变得远比当下要多得多的时候，我们该如何确保在其中进行导航的安全性呢？就拿导航这件事情来说吧，月球上的钟表与地球上的钟表之间每天所存在的56微秒的时间漂移，从导航的专业角度来看，这已然是一个相当大的差异了。要知道，现代的精密导航系统可是高度依赖于同步运行的钟表的，而要实现钟表的同步，就需要借助以光速传播的无线电波来进行协调运作。”格拉姆林进一步详细解释道，“光在仅仅1纳秒的时间内就能够传播30厘米，这对于我们人类来说，简直就是极其短暂的一瞬间，几乎是难以想象的短时间。所以啊，如果我们在进行导航计算等相关工作时，不考虑到这56微秒的时间差异，那么极有可能会导致每天高达17公里的导航误差。即便只是这一误差中的一小部分，在像‘阿尔忒弥斯’这类要求精确知晓每个探测车、着陆器或者宇航员的位置精确到10米以内的航天任务中，也是绝对无法被接受的，因为哪怕是一点点的位置偏差，都有可能会引发严重的后果。”
相对论作为现代物理学的重要基石之一，它所揭示的一个关键结论就是，时间并非是绝对的存在，而是相对的。由于引力效应的存在，处于地球表面的钟表相较于位于地球轨道上的钟表，其走时会相对较慢，这也正是全球定位系统（GPS）卫星在运行过程中必须要考虑相对论效应的原因所在。实际上，地球上所采用的协调世界时以及其他相关时间标准，同样也是借助在不同海拔高度对微小引力差异进行校正的时钟网络来实现的，这一系列的时钟网络通过不断地校准和调整，才使得我们能够在地球上获得相对准确的时间计量。
要确定地球与月球之间的时间差异，其复杂程度相较于单纯考虑地球表面与轨道之间的时间差异而言，无疑又增加了许多。首先，月球相对于地球表面的任意位置始终处于运动状态，这是因为地球在不停地自转，同时月球也在围绕着地球进行公转，从我们地球的视角来看，任何位于月球上的钟表似乎都会走得更慢一些。除此之外，月球上的任何钟表还会同时受到月球自身重力以及地球重力的双重影响。与之相比，人造卫星由于其体积不够庞大或者质量不够大，所以它们自身所产生的引力效应基本上可以忽略不计，因此在考虑时间差异等相关问题时，人造卫星的情况相对简单一些。
要妥善处理这些因相对论而产生的效应，就必须要选取一个恰当的参考框架。阿什比和帕特这两位专家通过深入研究和分析，认定地球 - 月球系统处于一种自由落体的状态——也就是仅在太阳引力的影响下进行运动，并且每个系统都围绕它们的共同质心运转。通过这样的设定和分析，他们便能够对每一种复杂情况所产生的影响进行详细的剖析：诸如每个天体的自转、潮汐力、天体形状与完美球形之间的偏差等等。这些因素都会对时间的流逝以及钟表的走时产生不同程度的影响，只有将它们全部考虑在内，才能够准确地计算出地球与月球之间的时间差异。
阿什比和帕特还针对地球和月球之间的轨道上那些被称作拉格朗日点的引力稳定位置展开了相关计算。这些拉格朗日点在航天领域具有非常重要的意义，它们可以被用于部署通信中继卫星，从而为地球与月球之间的通信提供更加稳定和高效的传输通道，进一步提升通信的质量和可靠性。
与此同时，密苏里大学的理论物理学家谢尔盖·科佩金和美国海军天文台的天文学家乔治·卡普兰也在独立地开展着相关研究工作。他们同样对地球和月球之间56微秒的时间变化进行了精确的计算，并且还进一步深入研究了由于太阳和木星所产生的微小潮汐力变化而导致的钟表速率的较小周期性波动。尽管这些波动仅仅处于纳秒级别，看起来似乎微不足道，但为了能够达到10米甚至更好的导航精度，依然需要将这些波动纳入考虑范围之内。因为在航天任务中，哪怕是极其微小的时间波动，如果不加以考虑，都有可能会对最终的导航结果产生不可挽回的影响。
“相对论领域的研究者们为我们做出了巨大的贡献，通过发表所有这些相关研究成果，”格拉姆林感慨地说道。“如今我们总算有了一些成果可以呈现给整个国际计时专家群体，去询问他们‘这是否就是我们能够为月球建立标准化时间模型的依据呢？’”
尽管从目前的情况来看，要在月球上实现足够数量的人类和机器人长期居住，或许还需要历经许多年甚至几十年的时间。然而，科学家们和工程师们都深知，早在实际需求产生之前，就着手建立一个月球标准时间是何等的重要。这就好比是未雨绸缪，提前做好准备，才能在未来面对各种复杂的航天活动和月球基地建设等情况时，能够更加从容地应对时间计量和导航等相关问题。如今，他们已然迈出了探索月球上时间奥秘的艰难第一步，这虽然只是一个开始，但却为后续的研究和实践奠定了坚实的基础。
来源：电影的败家子
