Iratkozzon fel hírlevelünkre Mindent megváltoztathat a legújabb felfedezés a Holdról
Einstein relativitáselméleteinek újabb megerősítését jelenti az a felfedezés, hogy a Holdon gyorsabban telik az idő mint a Földön
Fotó: NASA/JPL-Caltech
Itt állíthatja be, hogy a Google keresőben elsők között legyen az Origo.huEinstein relativitáselméletének felhasználásával fizikusok egy csoportja arra a megállapításra jutott, hogy a Holdon 58 mikromásodperccel gyorsabban telik az idő, mint a Földön. A felfedezés komoly jelentőségű lehet a jövőbeli holdbázisok, illetve Hold-expedíciók tagjai számára is.
Még 2024 áprilisában a Fehér Ház felhívást intézett a tudomány képviselőihez, hogy dolgozzanak ki egy holdidő-szabványt a Holdon várható jövőbeli fokozott nemzetközi jelenlétre és a potenciális állandó holdbázisok létesítésére figyelemmel. A magas szintű felhívás a NASA Artemis-program kezdeményezésének részeként hangzott el.
Fotó: Science News
Hány óra van a Holdon?
Az igazi kérdés azonban nem az, hogy "Hány óra van a Holdon?" hanem sokkal inkább az, hogy milyen gyorsan telik az idő az égi kísérőnkön. Bármely időmérő szerkezeten könnyen beállítható, hogy mennyi időt mutasson, de azt már a fizika törvényei határozzák meg, hogy milyen gyorsan telik az idő. Albert Einstein az 1905-ben publikált speciális relativitáselméletében elsőként mutatott rá arra, hogy két megfigyelő számára nem ugyanazt fogja jelenteni egységnyi idő, ha nem ugyanolyan sebességgel haladnak ugyanabba az irányba.
Fotó: Wikimedia Commons/ Princeton University
A speciális relativitáselmélet oldotta fel a Maxwell-elméletbeli állandó fénysebesség, valamint a newtoni mechanika sebesség összeadódása közötti ellentétet. Einstein speciális relativitáselméletének az első axiómája szerint bármilyen inerciarendszerben minden fizikai jelenség, és az azokat leíró egyenletek is azonosak. A második axióma pedig kimondja, hogy a vákuumbeli fény sebessége állandó, bármilyen inerciarendszerből is mérjük, és független mind az észlelő, mind pedig a detektor sebességétől. Az elmélet azért speciális, mert csak azokkal az inerciarendszerekkel foglalkozik, amelyekben érvényesül a tehetetlenség elve, az általános relativitáselmélet ezzel szemben a gyorsuló koordináta-rendszerekkel foglalkozik.
Ez az eltérés a Föld felszínén és a Holdon tartózkodó két megfigyelő esetében is kimutatható. "Ha a Holdon vagyunk, az órák másképp fognak ketyegni, mint a Földön" - mondta Bijunath Patla elméleti fizikus, a boulderi National Institute of Standards and Technology (NIST) munkatársa. Megjegyezte, hogy a Hold mozgása eltér a Földétől, ami miatt lassabban kellene járnia a holdbeli óráknak földi szabványhoz képest, de az alacsonyabb gravitáció miatt az órák mégis gyorsabban ketyegnek az égi kísérőnk felszínén. "Tehát ez két olyan egymással versengő hatás, aminek a nettó eredménye napi 56 mikroszekundumos ( 0,000056 másodperc, a szerk.) többletidő a Hold felszínén” – fűzte hozzá a kutató.
Ezért fontos, hogy pontossá tegyük a holdidőt
Patla és fizikus kollégája, Neil Ashby Albert Einstein 1916-ban publikált általános relativitáselméletét használta fel ennek a számnak a meghatározásához, ami komoly előrelépést jelent a korábbi elemzésekhez képest. Eredményeiket az Astronomical Journal tudományos szakfolyóiratban tették közzé.
Az általános relativitáselmélet Albert Einstein geometriai elmélete a gravitációról, amely ennek mind a mai napig a legpontosabb és kísérletekkel is alátámasztott leírása. Az elmélet a gravitációt az egyesített tér és az idő, vagyis a téridő geometriai tulajdonságaként írja le. Az einsteini elmélet szerint a téridő görbületének következménye a gravitáció, amely közvetlenül kapcsolódik bármilyen jelenlévő anyag és sugárzás energiájához, illetve impulzusához. Ezt a kapcsolatot Einstein mezőegyenletei írják le pontosan, ami nemlineáris parciális differenciálegyenletek rendszere. A téridő görbültségéből következik, hogy az einsteini univerzum véges, de határtalan táguló entitás.
Bár az 56 mikromásodperces különbség emberi mércével mérve kicsi, de ez a differencia már jelentősnek számít, ha több küldetést kell egyszerre pontosan irányítani, vagy pedig a Föld és a Hold közötti kommunikációról van szó. "A navigáció biztonsága alapvető követelmény a holdi expedíciók kontextusában, főleg akkor, ha egyszerre sokkal több tevékenységet fogunk folytatni a Holdon, mint most" - mondta Cheryl Gramling, a NASA Goddard Űrrepülési Központjának rendszermérnöke, akit a Live Science tudományos hírportál idéz.
Fotó: NASA
"Ami a navigációt illeti, egy nap alatt 56 mikromásodperces eltolódás a Holdon és a Földön lévő óra között már nagy különbségnek számít, úgyhogy ezt mindenféleképpen figyelembe kell venni" – fűzte hozzá a NASA rendszermérnöke. A modern precíziós navigáció az órák szinkronizálásán alapul, ami a fénysebességgel terjedő rádióhullámok segítségével történő koordinációt foglal magában.
Fotó: NASA
Gramling megjegyezte, hogy a fény 30 centimétert halad 1 nanoszekundum (0,001 mikroszekundum) alatt – ez emberi mércével mérve szinte felfoghatatlanul rövid idő –, így az 56 mikroszekundumos eltérés figyelembevételének elmulasztása akár 17 kilométeres navigációs hibát is okozhat, ennek pedig még a töredéke is elfogadhatatlan, ha az Artemis küldetésről lesz szó, ahol minden rover, leszállóegység vagy űrhajós helyzetének 10 méteres körön belüli ismerete szükséges.
Már Einstein is felismerte, hogy nem létezik az abszolút idő
Az einsteini relativitáselmélet egyik kulcsfontosságú felismerése, hogy nem létezik az abszolút idő. A Föld felszínén lévő óra a gravitációs hatások miatt lassabban ketyeg, mint egy orbitális pályán keringő, ezért a GPS-műholdaknak figyelembe kell venniük a relativitáselmélet szabályait. (A koordinált univerzális idő és más szabványok miatt a Földön olyan órahálózatokat használnak, amelyek korrigálják az apró gravitációs különbségeket a különböző magasságokban.)
A Föld és a Hold közötti időmérési különbség meghatározása további bonyodalmakat okozhat.
A Hold a Föld bármely pontjához képest mozgásban van egyrészt bolygónk tengely körüli forgása, másrészt a Hold körülöttünk való keringése miatt, ami azt jelenti, hogy a mi szemszögünkből nézve egy holdi óra lassabban kellene, hogy ketyegjen.
Fotó: NASA/JPL-Caltech
Ezenkívül a Hold felszínén elhelyezett bármely órára a Hold és a Föld gravitációja is hatást gyakorol. (A műholdak nem elég nagyok vagy tömegesek ahhoz, hogy saját tömegük gravitációs hatásai számításba jöjjenek.) A relativitáselméletből következő hatások megfelelő kezelése teszi szükségessé a megfelelő referenciakeret meghatározását is.
Ashby és Patla abból indult ki, hogy a Föld-Hold páros olyan szabadesésben lévő rendszer, amit a Nap gravitációja kényszerít mozgásra,
és mindkét égitest a saját közös tömegközéppontjuk körül kering. Ebből a fizikai tényből vezették le az egyes referenciaelemeket, így többek között az egyes testek forgását, az árapály-erőket, a tökéletes gömböktől való alakeltéréseket és egyéb más kapcsolódó tényezőket. Ashby és Patla a Föld és a Hold közötti pályán lévő gravitációsan stabil pozíciók, az úgynevezett Lagrange-pontok számítását is elvégezte, amit a kommunikációt közvetítő műholdak precíz pozicionálásához lehet felhasználni.
Megtették az első lépést, hogy megtudjuk, mennyi a pontos idő a Holdon
Szergej Kopeikin a Missouri Egyetem elméleti fizikusa és George Kaplan az Amerikai Tengerészeti Obszervatórium csillagásza Ashby és Patla munkásságától függetlenül azzal egyező, ugyancsak 56 mikroszekundumos időeltolódást számított ki a Föld és a Hold között. Kiszámolták az órajelek kisebb, periodikus ingadozásait is a Nap és a Jupiter apró árapály-ingadozásai miatt, és noha ezek csak nanomásodperces szintű hatások, azonban mégis figyelembe kell venni ezeket a 10 méteres léptékű vagy ennél még jobb navigációs pontosság eléréséhez. "A relativitáselméletet felhasználó kutatók nagy szolgálatot tettek nekünk azzal, hogy megjelentették ezt a munkát" - mondta Gramling.
Fotó: NASA
"Most meg kell kérdeznünk az időméréssel foglalkozó szakértők egész nemzetközi közösségét, hogy ez az a modell, amelyet szabványosíthatunk a Holdra?" - mondja Cherly Gramling, a NASA rendszermérnöke. Még sok évnek vagy évtizednek kell eltelnie ahhoz, hogy a Holdat elég ember és robot népesítse be ahhoz, hogy ilyen szintű precíz időmérésre legyen szükség. A tudósok és mérnökök azonban már most felismerték, hogy miért fontos, hogy még jóval azelőtt rendelkezésre álljon a holdidő, mielőtt megkezdődne az állandó kolóniák létesítése az égi kísérőnkön. Most megtették ezt az első nehéz lépést afelé, hogy megtudják, hány óra van a Holdon.
Miért fontos a földi és a holdi idő közötti különbség?
- egy-egy tárgy vagy asztronauta helyzetének 10 méteres sugarú körön belüli meghatározásához,
- a Föld-Hold közötti kommunikáció miatt,
- a gravitációs torzító hatások kiküszöbölése végett.
