באיזה שעה השעה?
באפריל 2024, הבית הלבן פרסם אתגר למדענים לקבוע תקן זמן ירח, תוך הסתכלות קדימה על נוכחות בינלאומית מוגברת על הירח ובסיסים אנושיים פוטנציאליים במסגרתשל. השאלה האמיתית שמתלבטת היא לא "מה השעה?" אלא, "כמה מהר עושה זאתלַעֲבוֹר?"
כל שומר זמן יכול להגדיר את השעה שקורא, אבל הפיזיקה קובעת כמה מהר הזמן עובר. בשנים הראשונות של המאה ה-20,קבע ששני משקיפים לא יסכימו כמה זמן היא שעה אם הם לא נעים באותה מהירות באותו כיוון. אי הסכמה זו מתקיימת גם בין אדם על פני כדור הארץ לבין אדם אחר במסלול או על הירח.
"אם אנחנו על הירח, השעונים הולכים לתקתק אחרת [בהשוואה לכדור הארץ]," אמר פיזיקאי תיאורטיBijunath Patlaמהמכון הלאומי לתקנים וטכנולוגיה (NIST) בבולדר, קולו. הוא ציין כי תנועת הירח ביחס לשלנו גורמת לשעונים לרוץ לאט יותר מהתקן של כדור הארץ, אך כוח הכבידה הנמוך שלו מוביל לשעונים לרוץ מהר יותר. "אז אלה שני אפקטים מתחרים, והתוצאה נטו של זה היא סחיפה של 56 מיקרו-שניות ליום". (זה 0.000056 שניות.)
פאטלה ועמיתו הפיזיקאי NISTניל אשבי השתמש בתורת היחסות הכללית של איינשטיין כדי לחשב את המספר הזה, שיפור לעומת ניתוחים קודמים. הם פרסמו את התוצאות שלהם ב-כתב עת אסטרונומי.
למרות שההבדל של 56 מיקרו-שניות קטן בסטנדרטים אנושיים, הוא משמעותי כשמדובר בהנחיית משימות מרובות בדיוק מדויק או בתקשורת בין כדור הארץ לירח.
"הדבר הבסיסי הוא בטיחות הניווט בהקשר של מערכת אקולוגית ירחי כאשר יש לך הרבה יותר פעילות על הירח ממה שיש לך עכשיו", אמר.שריל גראמלינג, מהנדס מערכות במרכז טיסות החלל של גודארד. "כשזה מגיע לניווט, סחיפה של 56 מיקרו-שניות במשך יממה בין שעון על הירח ל[שעון] על פני כדור הארץ היא הבדל גדול, אז אתה צריך להתאים את זה."
ניווט מדויק מודרני מסתמך על סנכרון שעונים, הכולל תיאום באמצעות גלי רדיו, הנעים במהירות האור. גראמלינג ציין כי האור עובר 30 סנטימטרים (11.8 אינץ') ב-1 ננו-שנייה (0.001 מיקרו-שנייה) - פרק זמן קצר להפליא בסטנדרטים אנושיים - כך שאי-התחשב בפער של 56 מיקרו-שניות עלול לגרום לשגיאות ניווט עד 17 ק"מ. ליום. אפילו חלק מזה אינו מקובל כשזה מגיעארטמיסמשימות, שידרשו לדעת את מיקומו של כל רובר, נחתת או אסטרונאוט בטווח של 10 מטרים בכל עת.
אני חופשי! נפילה חופשית!
תוצאה מרכזית שלזה שאין דבר כזה זמן מוחלט. שעון על פני כדור הארץ יתקתק לאט יותר מאשר שעון במסלול בגלל השפעות כבידה, וזו הסיבה שלווייני GPS צריכים לקחת בחשבון את תורת היחסות. (זמן אוניברסלי מתואם ותקנים אחרים על פני כדור הארץ משתמשים ברשתות של שעונים שמתקנים לקטנטניםהבדלי כבידה בגבהים שוניםגם.)
קָשׁוּר:
קביעת ההבדל בקביעת זמן בין כדור הארץ לירח מוסיפה סיבוכים נוספים. הירח נע ביחס לכל נקודה על פני כדור הארץ בגלל הסיבוב שלנו ומסלולו סביבנו, מה שאומר שכל שעון ירח ייראה כאילו הוא פועל לאט יותר מנקודת המבט שלנו. בנוסף, כל שעון על הירח מושפע משעון הירח ושל כדור הארץ. (לוויינים מלאכותיים אינם גדולים או מסיביים מספיק כדי שהשפעות הכבידה שלהם ישפיעו.)
טיפול נכון בהשפעות אלה של תורת היחסות מחייב בחירת מסגרת התייחסות מתאימה. אשבי ופטלה התמודדו עם הבעיה על ידי הכרה בכך שמערכת כדור הארץ-ירח נמצאת בנפילה חופשית - נעה רק תחת השפעת כוח המשיכה של השמש - כשכל אחד מקיף את מרכז המסה המשותף שלהם. זה איפשר להם לנסח את התרומות מכל סיבוך: סיבוב כל גוף, כוחות גאות ושפל, סטיות בצורתם מכדורים מושלמים וכו'.
אשבי ופטלה גם ביצעו את החישוב עבור מיקומים יציבים מבחינה כבידתית במסלול בין כדור הארץ לירח המכונה נקודות לגראנז', שיכולות לשמש עבור לווייני ממסר תקשורת.
בינתיים, פיזיקאי תיאורטיסרגיי קופייקיןמאוניברסיטת מיזורי ואסטרונוםג'ורג' קפלןשל מצפה הכוכבים הימי של ארצות הבריתחישב באופן עצמאי שינוי זמן של 56 מיקרו-שניות בין כדור הארץ לירח. הם גם חישבו תנודות מחזוריות קטנות יותר בקצבי השעון עקב שינויים זעירים בכוח הגאות והשפל מהשמש ומצדק, השפעות ברמת ננו-שניות, שלמרות זאת, יש לתת את הדעת עליהן כדי להשיג דיוק ניווט בקנה מידה של 10 מטרים או טוב יותר.
"קהילת [תורת היחסות] עשתה לנו שירות נהדר על ידי פרסום כל העבודה הזו", אמר גרמלינג. "עכשיו יש לנו מה להביא לכל הקהילה הבינלאומית של מומחי תזמון ולומר, 'האם זה המודל שאנחנו יכולים לתקן עבור הירח?'".
יעברו שנים או עשורים רבים עד שהירח יאוכלס במספיק בני אדם ורובוטים כדי להזדקק לרמה זו של שמירת זמן. עם זאת, מדענים ומהנדסים מכירים עד כמה חשוב לקיים זמן סטנדרטי לירח הרבה לפני שיהיה צורך. עכשיו הם עשו את הצעד הראשון הקשה לקראת לדעת מה השעה על הירח.
מאמר זה פורסם במקור ב-Eos.org. קרא אתמאמר מקורי.
