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研究证明火星上时间流逝更快

中国科学报

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火星上的时间是几点？这是未来希望在火星上生活和工作的探险者必须回答的问题。根据爱因斯坦的相对论，火星上的时间流逝与地球上不同。科学家们现已精确测定了这种差异，表明火星上时间走得稍快，且在火星年中会有波动。这些微秒级的变化可能在未来的火星导航、通信甚至太阳系范围内的互联网中发挥重要作用。

在地球上，人类依靠一套结合了原子钟、全球定位系统卫星以及超高速通信网络，得以确保所有事物保持同步。然而，这种精确性并不能自然地延伸到地球之外。时钟走时速度取决于引力，这意味着在更强的引力场中时钟走得稍慢，在较弱的引力场中走得稍快。这虽是微小的时间差，却对太空探索有着重大影响。在地球上协调时间已十分复杂，在太阳系范围内进行这种协调更是难上加难。

美国国家标准与技术研究院（NIST）的物理学家们的计算表明，平均而言，火星上的时钟每天比地球上的时钟快 477 微秒（百万分之一秒）。但这种差异并非恒定不变。由于火星轨道的拉长以及来自其他天体的引力影响，这种时间差异在火星的一年中每天可变化多达226微秒。该研究日前发表在《天文期刊》。

NIST的物理学家比Bijunath Patla表示，了解火星上的时间流逝情况对于未来的火星任务至关重要。随着美国国家航空航天局（NASA）为更深入的火星探索做准备，精确计时对于跨越行星距离的导航、通信和协调将至关重要。“探索月球和火星的时机恰到好处。这是我们距离实现科幻作品中人类向太阳系扩张的愿景最近的一次。”

火星上的一天比地球上的一天长约40分钟，一年相当于地球上的687天。除了这些显而易见的差异，科学家们还需要确定火星上的每一秒是否与地球上的每一秒流逝速度相同。

放置在火星表面的原子钟在火星上的走时与在地球上一样，但问题在于，当把火星上的原子钟与地球上的原子钟进行比较时，随着时间的推移，两者的读数会逐渐出现偏差。科学家的任务就是要确切地弄清楚这种偏差会达到多大，类似于确定一个行星时区。

根据爱因斯坦的相对论，引力会改变时间的流逝。此外，行星的运动也会影响时间的流逝，其轨道速度还会带来额外的变化。为了使计算成为可能，NIST的研究人员在火星表面选定了一处特定的参考点，这与地球赤道的海平面相当。利用多年来火星探测任务收集的数据，研究人员估算了火星表面的重力，其约为地球表面重力的五分之一。

仅火星的引力不足以解释全部情况。太阳系是一个充满巨大天体的动态环境，这些天体之间相互吸引。太阳拥有太阳系总质量的99%以上，其引力对行星的运动起着主导作用。

火星与太阳的距离、它周围的邻居如地球、月球、木星和土星，迫使它运行在一条更长且更偏心的轨道上。它与太阳的距离以及其偏心轨道使得时间变化更大。“三体问题已极其复杂，而现在要处理的是四体问题：太阳、地球、月球和火星，这项艰巨的任务更具挑战性。”Patla说。

477微秒的差异看似微不足道，然而，在现代技术中，如此细微的差异却至关重要。如今，地球与火星之间发送的信息需要4到24分钟才能抵达，有时甚至更久。开发一个在行星之间可靠的时间基准框架，最终可能会使整个太阳系内的通信网络实现同步。

NIST的Neil Ashby表示，完全同步的星际网络以及人类在火星上的永久定居点仍遥不可及，不过现在研究这些时间上的难题有助于科学家们提前预判未来可能遇到的障碍。“或许还要几十年火星表面才会布满漫游车的车辙，但现在研究在其他行星和卫星上建立导航系统所涉及的问题是有用的，就像当前的全球导航系统一样。”

Patla补充说，测量遥远星球上时间的运行方式为爱因斯坦的狭义相对论和广义相对论提供了新的检验。