科学家如何为月球“定时间”

美国政府指示美国国家航空航天局在2026年之前为月球制定一个统一的时间标准，称为“协调月球时”。图片来源：英国有线广播公司

或许，宇宙中最引人深思的谜团之一，便潜藏于时间流逝的微妙差异之中。

高山之巅的时间竟比幽深山谷中的时间流逝得更快。这一现象对于日常生活的直接影响微乎其微。但是，随着人类探月活动增多，为月球制定时间标准再次成为关注的焦点。

那么，月球和地球上的时间一样吗？美国国家航空航天局（NASA）最新计算表明，月球表面时间比地球表面时间每个地球日快57.5微秒。在人类月球探索中，这一差异可能至关重要。

什么是“协调月球时”

今年4月，美国白宫发布了一份备忘录，指示NASA与其他政府部门合作，在2026年底前制定“协调月球时”。备忘录显示，该系统必须具备4个方面的品质：具备与“协调世界时”的逻辑可追溯性；足够的具体性和准确性，能够为极短的瞬间计时；在与地球失去联系的情况下能够“自给自足”；可扩展性，以便其他天体或太空环境也能参照这一时间标准。

为月球设立一个时间有助于航天器的通信、着陆和导航。白宫备忘录指出，确定一个合适的标准，一个能够在具有挑战性的月球环境中运行、兼具准确性和弹性的标准，将使所有航天国家受益。

中国科学院紫金山天文台研究员谢懿在接受科技日报记者采访时，如此介绍协调月球时间的民间意义：“想象一下，有这么一个太空港，它需精确告知乘客飞船的起飞与抵达时间。同时，月球时间还要和地球上的时间相联系，因为未来某一天，地球上的居民很可能要和月球上居民联动。”

地球上时间如何计算

人类对时间精确度的追求从未停歇。20世纪初，爱因斯坦提出了狭义相对论和广义相对论，使科学界对时间中“秒”的精确测量变得更加复杂。

广义相对论认为，引力作用越强，时间流逝越慢。由于月球上的引力只有地球的六分之一，所以月球上的时间比地球更快，这是时间膨胀的结果。

美国有线电视新闻网报道称，为了解决相对论带来的时间测量难题，科学家在全球范围部署了数百台原子钟。这些利用原子振动原理的超精密仪器，能够捕捉到时间流逝的每一个细微变化。通过综合全球各地原子钟的读数，科学家得出了“协调世界时”，并适时引入“闰秒”以校正地球自转速度的变化。

不过，时间的计算远不止于此。更复杂的是，根据爱因斯坦的狭义相对论，人或航天器移动得越快，时间过得越慢。因此，一些航天器配备有自己的时钟，称为晶体振荡器（简称“晶振”）。但是，尽管有晶振，航天器上的时间也往往需要地面校准。

为何月球时间比地球快

那么，广义相对论和狭义相对论对计算月球时间有什么影响呢？

谢懿告诉记者，若将两台时钟分别置于地球和月球上，两者所受的引力强度及运动状态截然不同（地球上的时钟受到更强的引力作用），同时，它们的运动速度也存在显著差异。这种差异将导致即便初始时刻两钟读数一致，但随着时间推移，它们也将逐渐产生偏差。

NASA通过计算月球，地球和太阳之间的相对运动，得出了每天57.5微秒差异这一数字。这意味着在50年的时间里，月球上的宇航员要比地球上的人老一秒左右。

谢懿称，57.5微秒这一数值就是根据广义相对论原理计算出来的，总体上考虑了广义和狭义相对论中引力差异和运动差异所导致的地面和月面时间之间的“漂移”。

在采访中，谢懿向记者透露，其团队也在进行相关研究。他们发现，地月时间除了每天有差异之外，还会存在周期性的变化。这种变化对于我国在月球附近建设的卫星导航系统而言，将产生非常重要的影响。

为月球计时，到底用原子钟还是晶振呢？NASA戈达德太空飞行中心谢丽尔·格兰林表示，原子钟在长期稳定性方面非常出色，而晶振则在短期稳定性方面具有优势，科学家还会就此继续讨论和研究。

据报道，月球时间的定义将由包括国际计量局和国际天文学联合会在内的多个机构来定义，部分讨论将于8月进行。