浙江
美國國家標準與技術研究院（NIST）的科研團隊近日首次系統計算了火星與地球之間的時間流逝差異，給未來地外時間計量體系提供了關鍵參考。 最新發表在《天文學雜志》（The Astronomical Journal）上的研究顯示，在平均意義上，火星上的時鐘每天比地球快約 477 微秒，即百萬分之一秒。 雖然這一差值極其微小，但在依賴高精度時間同步的導航和通信系統中，卻具有重要工程意義。
研究指出，這一時間差并非恒定不變，而是隨火星繞太陽公轉軌道的變化而發生周期性波動。 由于火星軌道偏心率較高、運行路徑并非標準圓軌道，加之太陽、地球、月球及其他行星的引力共同作用，導致一個火星年內日均時間差可在最大約 226 微秒的范圍內變化。 科學家還識別出與會合周期相關的更小重復變化模式，即每天約 40 微秒的微小起伏，這反映出太陽系多天體在不同幾何排布下對時間偏差緩慢累積與消長的影響。
為了給出精確估算，NIST 研究團隊將火星與地球、月球進行了系統對比，重點分析所謂“相對論本征時間”。 所謂本征時間，是指在愛因斯坦相對論框架下，某一位置實際由時鐘測得的時間，它取決于該處的引力場強度及天體運動速度。 研究結果再次驗證了廣義相對論的基本預言：引力越強，時鐘走得越慢；引力越弱，時鐘走得越快。 NIST 物理學家 Bijunath Patla 表示，“現在的月球和火星研究正當其時，我們距離科幻作品中擴展至太陽系各地的愿景從未如此接近。”
與大眾熟知的“火星一日比地球長約 40 分鐘、一年相當于 687 個地球日”不同，本項研究關注的核心是“時間本身的流逝速度”。 按照研究團隊的設想，如果在火星表面部署一臺高精度原子鐘，它在當地會運行正常，但與放置在地球上的原子鐘相比，二者將因引力和運動差異出現緩慢但持續的走時漂移。 這意味著未來跨行星導航與通信系統，必須像處理跨洲跨時區一樣，精確計算并校正行星之間的“時間速率偏差”。
在具體方法上，科研人員為火星設定了參考表面，并將太陽、地球、月球及其他行星的引力擾動納入統一模型。 這相當于在解決經典的“三體問題”基礎上引入第四個大質量天體，使得系統動力學計算更加復雜。 他們首先以理想的開普勒橢圓軌道描述火星運動，再疊加多體引力、太陽潮汐等效應，最終給出火星本征時間相對地球的精細修正量。 這些相對論本征時間差，即所謂“本征時間偏置”，構成了跨行星時鐘對比與校準的理論基礎。 Patla 感嘆稱，“真正艱苦的工作比我最初想象的要復雜得多。”
盡管每天幾百微秒的差異在日常生活中幾乎無法察覺，但在精密科技系統中卻足以帶來誤差累積。 現代地球上的移動通信網絡、衛星導航系統，均依賴納秒甚至更小量級的時間同步來完成定位與數據傳輸。 對于地球與火星之間的深空通信，目前信號單程傳播時間約為 4 至 24 分鐘不等，取決于兩星在各自軌道上的相對位置。 研究人員認為，若未來能建立統一且高度精確的“跨行星時間系統”，有望在一定程度上降低導航與數據交換中的混亂和誤判。 Patla 表示，“一旦實現嚴格同步，通信體驗將會像準實時一樣順暢，不會再因為等待回傳結果而丟失信息。”
科研團隊同時強調，完整成熟的星際通信網絡距離現實仍有相當距離，但現在開展時間行為差異的研究，可以為未來系統預先打好基礎。 參與研究的 Neil Ashby 指出，也許要再過幾十年，火星表面才會被更多漫游車的履帶“鋪滿”，但提前研究在其他行星和衛星上建立導航體系的關鍵問題十分必要。 與當前全球定位系統（GPS）類似，這類未來的跨行星導航網絡同樣將以高精度時鐘為核心，而各天體引力場對時鐘速率的影響，則必須用愛因斯坦廣義相對論進行定量分析。neowin
Patla 進一步表示，這項研究不僅為火星時間提供了首次系統答案，也在一定程度上豐富了人類對時間與相對論本身的理解。 “第一次真正知道火星上的時間從相對論意義上是如何流逝的——此前沒人給出過完整答案。”他說。 在他看來，這項工作提升了我們對“時鐘如何滴答作響”以及廣義相對論的整體認知，為未來在月球、火星乃至更遠深空部署高精度時間與導航系統奠定了理論與工程基礎。
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