Az idő gyorsabban telik a Holdon – Einstein relativitáselmélete új megközelítésben

Einstein általános relativitáselméletét alkalmazva a fizikusok felfedezték, hogy a Holdon lévő órák napi 56 mikroszekundummal gyorsabban járnak, mint a Földön lévők. Ez a felfedezés segíthet a jövőbeli holdi missziók navigációjában.

De vajon mennyi az idő a Holdon?

2024 áprilisában a Fehér Ház kihívást intézett a tudósokhoz, hogy dolgozzanak ki egy egységes holdi időszabványt, felkészülve a Holdon megnövekvő nemzetközi jelenlétre és az emberi bázisok kialakítására, amelyek a NASA Artemis-programjának részét képezik. Az igazi kérdés azonban nem az, hogy „Mennyi az idő?”, hanem inkább az, hogy „Milyen gyorsan telik az idő?” írja a Live Science.

Egy óra kijelzett idejét bármely időmérő meghatározhatja, de az, hogy milyen gyorsan múlik az idő, a fizika törvényein múlik. A 20. század elején Albert Einstein felismerte, hogy két megfigyelő nem fog megegyezni abban, hogy meddig tart egy óra, ha nem azonos sebességgel és irányban mozognak. Ez az eltérés igaz a Föld felszínén tartózkodó és egy Föld körüli pályán, vagy éppen a Holdon tartózkodó személy között is.

„Ha a Holdon vagyunk, az órák másképp fognak ketyegni, mint a Földön” – mondta Bijunath Patla elméleti fizikus, aki az Egyesült Államok Nemzeti Szabványügyi és Technológiai Intézeténél (NIST) dolgozik Boulderben, Colorado államban. Kiemelte, hogy a Hold mozgása a Földhöz viszonyítva lassítja az órák járását, de az alacsonyabb gravitáció miatt az órák gyorsabban járnak. „Ez a két hatás egymással szemben hat, és az eredmény egy 56 mikroszekundumos napi eltérés.” (Ez 0,000056 másodperc.)

Patla és kollégája, Neil Ashby, a NIST fizikusa Einstein általános relativitáselméletét alkalmazva számolták ki ezt az értéket, továbbfejlesztve a korábbi elemzéseket. Eredményeiket az Astronomical Journal tudományos folyóiratban publikálták. Bár az 56 mikroszekundumos eltérés emberi szempontból csekély, kritikus jelentőségű a pontos navigáció szempontjából, különösen akkor, amikor több küldetést kell irányítani, vagy kommunikációt kell fenntartani a Föld és a Hold között.

„A legfontosabb dolog a navigáció biztonsága a holdi ökoszisztémában, amikor több tevékenység zajlik majd a Holdon, mint most” – mondta Cheryl Gramling, a NASA Goddard Űrközpontjának rendszertervező mérnöke. „A navigáció szempontjából a Hold és a Föld órái között napi 56 mikroszekundumos eltérés óriási különbség, amit figyelembe kell venni.”

A modern precíziós navigáció az órák szinkronizálásán alapul, amely rádióhullámok segítségével történik, amelyek fénysebességgel terjednek. Gramling rámutatott, hogy a fény egy nanoszekundum (0,001 mikroszekundum) alatt 30 centimétert (11,8 hüvelyket) tesz meg – ez emberi szemmel nézve elképesztően rövid idő –, így az 56 mikroszekundumos eltérés figyelmen kívül hagyása akár napi 17 kilométeres navigációs hibát is eredményezhet. Ennek akár egy töredéke is elfogadhatatlan az Artemis-missziók esetében, amelyeknél minden rover, leszállóegység és asztronauta pozícióját minden pillanatban 10 méteres pontossággal kell meghatározni.

Létezik-e az idő?

Az általános relativitáselmélet egyik alapvető eredménye, hogy az abszolút idő fogalma nem létezik. Egy Föld felszínén lévő óra lassabban ketyeg, mint egy pályán keringő, a gravitációs hatások miatt. Ezért kell a GPS műholdaknak is figyelembe venniük a relativitáselméletet. (A koordinált világidő és más földi időszabványok szintén olyan órák hálózatára épülnek, amelyek korrigálják a különböző magasságokból adódó apró gravitációs eltéréseket.) A Föld és a Hold közötti időmérésbeli eltérések meghatározása további bonyodalmakat okoz. A Hold a Föld bármely felszíni pontjához képest mozog a forgásunk és a Hold körüli keringése miatt, így egy holdi óra a mi nézőpontunkból lassabbnak tűnik. Ezenfelül minden Holdon lévő órát befolyásol mind a Hold, mind a Föld gravitációja. (A mesterséges műholdak nem elég nagyok vagy tömegesek ahhoz, hogy saját gravitációjuk számottevő hatást gyakoroljon.)

Ezeknek a relativitásból eredő hatásoknak a megfelelő kezelése egy megfelelő vonatkoztatási rendszer kiválasztását igényli. Ashby és Patla a problémát úgy közelítették meg, hogy figyelembe vették: a Föld-Hold rendszer szabad zuhanásban van – kizárólag a Nap gravitációjának hatása alatt mozog –, miközben mindkét égitest a közös tömegközéppontjuk körül kering. Ez lehetővé tette számukra, hogy figyelembe vegyék a különböző tényezők hozzájárulását, mint például a testek forgása, az árapály-erők, az eltérések a tökéletes gömb alakjától, és így tovább.

Ashby és Patla kiszámították a gravitációsan stabil pozíciókra – a Föld és a Hold közötti pályákon lévő Lagrange-pontokra – vonatkozó értékeket is, amelyek kommunikációs átjátszó műholdak számára lehetnek hasznosak. Eközben Sergei Kopeikin elméleti fizikus (Missouri Egyetem) és George Kaplan csillagász (az Amerikai Haditengerészeti Obszervatórium) függetlenül szintén 56 mikroszekundumos időeltolódást számoltak ki a Föld és a Hold között. Emellett apróbb, időszakos eltéréseket is meghatároztak az óra járásában, amelyeket a Nap és a Jupiter által okozott kismértékű árapály-erőváltozások idéznek elő. Ezek nanoszekundum szintű hatások, amelyeket mégis figyelembe kell venni a 10 méteres vagy annál jobb navigációs pontosság érdekében.

„A relativitáskutató közösség óriási segítséget nyújtott nekünk azzal, hogy publikálta ezeket az eredményeket” – mondta Cheryl Gramling, a NASA Goddard Űrközpontjának rendszertervező mérnöke. „Most már van egy modellünk, amit bemutathatunk a nemzetközi időmérési szakértők közösségének, és megkérdezhetjük: Ez lesz az a modell, amit szabványosítunk a Hold számára?”

Még évek vagy évtizedek telhetnek el, mire a Holdon elegendő ember és robot lesz jelen ahhoz, hogy ilyen szintű időmérésre szükség legyen. Azonban a tudósok és mérnökök tisztában vannak azzal, milyen fontos, hogy a holdi időszabvány már jóval a tényleges szükség előtt rendelkezésre álljon. Most megtették az első, nehéz lépést annak irányába, hogy pontosan tudjuk, mennyi az idő a Holdon.

Ezt is érdemes elolvasni:

Milyen lenne az élet az első olyan exobolygón, amelyet lakhatósági zónában fedeztek fel?

Valami nem stimmel a Tejútrendszerrel

Kiemelt kép: Depositphotos.com