На борда на космически кораб, обикалящ около Червената планета, тънка зелена линия показва на екрана тиктакането на перфектно калибриран атомен часовник. Проблемът е прост и дълбоко обезпокоителен: двата часовника вече не съвпадат. Не много. Само толкова, че да объркат прозорците за кацане, орбиталните траектории и крехкия сценарий, който поддържа живи мисиите за милиарди долари.

Вътре, контролната зала на мисията, физиката престава да бъде "само теория" и започва да променя работните дни на хората. Айнщайн е предупредил, че гравитацията и скоростта могат да изкривяват времето. Марс сега тихо го потвърждава, ред по ред, в суровите данни.

Истинският шок не е, че времето се изкривява според Специалната теория на относителността на Айнщайн, а колко бързо ще се наложи да се адаптираме към това изкривяване.

Старото уравнение на Айнщайн създава съвсем реален проблем с часовниците

На теория всички в НАСА знаят, че времето не тече по един и същи начин навсякъде. Научава се това от теорията на относителността. Масивните обекти изкривяват пространство-времето, бързото движение забавя часовниците. След това те изстрелват сонда към Марс, проследяват орбитата му с години и гледат как тези корекции в учебниците се превръщат в главоболия в реалния свят.

Всеки марсиански сол трае около 24 часа, 39 минути и 35 секунди. Само това е достатъчно да принуди екипите на мисията да живеят по "марсианско време", променяйки графиците си за сън, за да преследват извънземния изгрев. Но на всичкото отгоре, по-слабата гравитация на Марс и различната орбитална скорост създават едва доловим, но безмилостен дрейф в поведението на часовниците близо до планетата. Ден след ден това е пренебрежимо. С течение на месеци и години то се превръща в тих саботьор.

Така че голямата картина е проста: колкото по-дълбоко навлизаме в междупланетните пътувания, толкова по-малко можем да се преструваме, че една секунда е еднаква навсякъде.

Например това влияе на марсоходите. Докато Spirit и Opportunity пъплят през прашните равнини, екипите е трябвало да жонглират със земни дни и марсиански солове. Хората, работещи за мисиите са дремвали в необичайни часове, "обядвали" сх в 2 часа през нощта и са поставяли затъмняващи щори върху прозорците на офисите. Но зад този човешки хаос е математиката: малки релативистични корекции, гарантиращи, че роувърът ще се събуди, ще пътува и ще говори със Земята, когато антените слушат.

Curiosity Роувърът Curiosity. Кредит: NASA

Орбиталните апарати също го усещат. Космически кораб, обикалящ около Марс с висока скорост, при по-слаба гравитация от тази на Земята, изпитва време, което тече малко по-различно от наземния часовник в контролната зала. Това е същият ефект, с който фунционират GPS сателитите около Земята: техните бордови часовници биха се отклонявали с микросекунди на ден, ако не се коригират постоянно спрямо уравненията на Айнщайн. На Марс всеки прозорец за кацане, всяко запалване на двигателя, всяко решение "действай/не действай" се основава на тези малки, но безмилостни разлики.

Последните прецизни измервания, комбиниращи радиосигнали, лазерно определяне на разстоянието и дългосрочно проследяване, направиха тези разлики невъзможни за третиране като фонов шум. Те показват, че на практика Марс работи по своя собствена версия на времето.

Айнщайн го е предсказал със студена математика. Марс го е потвърдил със закъснения и загуби на данни.

Логиката зад това не е магия, а просто безмилостна физика. Времето се разширява по два основни начина: близо до масата и с висока скорост. Земята е по-масивна от Марс, така че часовниците, намиращи се по-дълбоко в земната гравитация, ще тиктакат малко по-бавно от идентични часовници близо до Марс. Междувременно всеки спътник, който се движи около планета, изпитва Специалната теория на относителността: самото движение разтяга секундата.

При кратки мисии инженерите могат да го компенсират с корекции. Няколко наносекунди тук, една микросекунда там. Но ако се планират дългосрочни човешки местообитания, многогодишни аванпостове или мрежа за сателитна навигация около Марс, вече никой няма лукса да се преструва, че „земните секунди“ са универсален стандарт. Кумулативното изместване може да промени траекториите, да изкриви графиците и да наруши строгата синхронизация между повърхностните бази и орбиталната инфраструктура.

Именно тук мисловните експерименти на Айнщайн от 20-ти век се сблъскват с логистиката на 21-ви век. Уравненията са стари. Последиците са пресни.

Как бъдещите мисии ще трябва да променят часовниците си, за да оцелеят

И така, какво се променя конкретно, когато се приеме, че Марс работи по собствено време? Първата голяма промяна е ментална, но води до много практични инструменти: не се третира повече Марс като "отдалечено разширение" (“remote extension”) на земното време и трябва да се дефинира подходящ марсиански стандарт за време. Истински, с референтни часовници, високосни секунди и може би един ден със собствена карта на "марсианската часова зона".

Топографска карта на МарсТопографска карта на Марс. Кредит: https://marspedia.org/Mars_Atlas 

Инженерите вече мислят върху сценарии, при които главен атомен часовник – или мрежа от часовници – обикаля около Марс и задава темпото на всичко в системата. Роувъри, спускаеми модули, дронове и бъдещи човешки местообитания биха се синхронизирали с този марсиански времеви гръбнак, докато земните контролери използват инструменти за преобразуване толкова естествено, колкото сега конвертираме валути. Изведнъж изпращането на команди вече не е "ще се свържем в 14:32 UTC", а "ще ви се обадим в 09:12 марсианско координирано време".

Втората корекция е свързана с навигацията. За да се приземят хора безопасно, е необходимо нещо като GPS около Марс: съзвездие от спътници, излъчващи точни сигнали за време. Тези сигнали вече трябва да бъдат коригирани по теорията на относителността в околоземна орбита. На Марс важи същото правило, само че с различни параметри. Ако искате спускаемият модул да кацне на десетки метри, вместо на десетки километри, моделът за време *трябва* да включва изкривяванията на Айнщайн от първия ден.

Има и човешка страна на това и не става въпрос само за приложения за часовници. Животът на марсианско време ще означава предефиниране на самата рутина. По време на дълга мисия астронавтите не могат мислено непрекъснато да жонглират със земни минути, марсиански солове, релативистични дрейфове и разнородни графици. Те ще си създадат локален ритъм, със собствен "от 9 до 5", и ще оставят софтуера тихо да се справя с хаотичната физика на заден план.

Неправилно калибрираното време в космоса не е просто абстрактен риск. GPS на Земята с пълна сила не би работил без ежедневни релативистични корекции. Ако игнорираме математиката на Айнщайн, телефонът ви може да се отклони с километри в рамките на един ден. Ето колко безмилостен е дрейфът на времето, когато се смесват орбити, гравитация и разстояние.

За бъдещите марсиански екипажи залозите са по-високи. Неправилно синхронизираното запалване на двигателя може да означава пропускане на коридора за повторно влизане в атмосферата. Навигационен спътник, който се отклонява от синхрона, може да обърка мястото за кацане с километри на планета, където прашните бури вече могат да намалят видимостта. И не става въпрос само за хардуер: комуникационните вериги са изключително чувствителни към времето. Радиостанции, лазери и релета за данни прескачат космоса в внимателно планирани прозорци. Няколко микросекунди натрупано приплъзване могат да принудят екипите да пренапишат графиците.

На по-обикновено ниво, управлението на веригата за доставки - храна, вода и резервни части на десетки милиони километри, където изстрелванията на товари, орбиталните срещи и приемането на повърхността трябва да се синхронизират като зъбни колела, ако цялата логистична верига е изградена върху предположението, че "секундата си е секунда", това ще доведе неминуемо до хаос, който струва пари, гориво и понякога животи.

Ето защо космическите агенции се насочват към проектиране на мисии със системи, които не само показват времевия отпечатък, но и знаят към коя планета, коя орбита и към коя релативистична система принадлежи този времеви отпечатък. Времето се превръща в параметър, около който се планира и проектира, а не тих, игнориран досега фон.

Бивш организатор на мисии го обобщава така:

"Израснахме, мислейки за времето като за най-стабилното нещо в живота ни. Марс тихо ни учи, че то е просто още една променлива в дизайна."

Космически лъч или най-бързият извънземен космически кораб в космоса, се спусна на 2438-ия марсиански ден. Кредит: Curiosity's Navcam Right B. NASA/JPL-CaltechМарсоходът Curiosity на НАСА изглежда е успял да заснеме загадъчна светлина на Марс. Снимката, която показва светлина, сякаш плаваща над повърхността на планетата, е направена на 16 юни, или 2438 сол - 2438-ия марсиански ден на мисията Curiosity, изследваща Червената планета. Марсианските денонощия, наречени "сол" и продължават 24 часа, 39 минути и 35 секунди, което означава, че една година - или една орбита около Слънцето - е 668 сола (или 687 денонощия). Кредит: Curiosity's Navcam Right B. NASA/JPL-Caltech

Когато секундите се превръщат в история: какво означава марсианското време за нас

Данните от Марс показват, че Айнщайн не е бил прав само в академичен смисъл. Той е бил прав и в смисъл, че това ще промени начина, по който планираме графици, проектираме инструменти и разказваме истории, обвързани с времето, след като хората заживеят извън Земята.

За деца, растящи под небе с цвят на сьомга, с часовници, които отчитат ден, който не е съвсем нашият, концепцията за "всемирно време" вероятно ще бъде само остарял навик, присъщ само на Земята. В бъдеще учените ще говорят за "предмарсианско време" и "междупланетно време", като ери в учебник по история. Не защото сме променили законите на физиката, а защото най-накрая сме ги приели сериозно в ежедневието си.

Айнщайн е предсказал тези изкривявания преди повече от век, използвайки малко повече от мисловни експерименти и тебешир. Марс сега се е превърнал в най-убедителното му доказателство за концепцията, не като лекция, а като упорита поредица от числа на конзолите на мисиите. Всяко изстрелване и всяко кацане, което се планира, сега ще се основава на тази нова представа: че времето е локално, относително и подлежи на трансформация.

И истинският въпрос, този, който се задържа след уравненията, е тихо човешки: как ще се промени усещането ни за вчера и утре, след като заживеем във вселена, където дори секундата е различна?

Източник: Einstein predicted it, and Mars has just confirmed it: time flows differently on the Red Planet forcing future space missions to adapt, Natalie Wright, c-astonhair