火星时间快于地球？原因在此|太阳系|月球|火星|行星|超级地球

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作者：Keith Cooper

翻译：向艺文

美编：刘艳梅

原文：Keith Cooper https://www.space.com/astronomy/mars/time-travels-faster-on-mars-than-on-earth-and-heres-why

“三体问题本就极其复杂，如今我们面对的却是四体：太阳、地球、月球与火星。这其中的计算难度远超我最初的设想。”

图1：火星时间平均每日比地球快477微秒。（图片来源：美国宇航局）

由于爱因斯坦广义相对论的影响，火星上时间流逝平均每天比地球快477微秒。科学家指出，这一差异将对未来可能覆盖内太阳系的导航与通信网络产生深远影响。

美国国家标准与技术研究院（NIST）的尼尔·阿什比（Neil Ashby）和比朱纳特·帕特拉（Bijunath Patla）通过综合考虑火星重力强度（仅为地球的1/5）、火星绕日运行的速度与轨道偏心率，以及太阳、地球和月球对火星的引力影响，精确计算出了火星与地球之间的时间差异。

帕特拉在声明中指出：“火星与太阳的距离及其偏心轨道使时间差异更为显著。三体问题本就极其复杂，如今我们面对的却是四体：太阳、地球、月球与火星。其中的艰巨计算远超我最初的设想。”

爱因斯坦的广义相对论阐释了时钟运行速率如何因其所处的参考系（由速度与引力场决定）而改变。我们将这种现象称为时间膨胀。著名的双生子佯谬正是基于此理论：若双胞胎中的一人搭乘近光速飞船前往太空，另一人留在地球。当宇航员返回时，他会比留在地球的兄弟更年轻——因为越接近光速，时钟走得越慢。同理，黑洞附近因引力场远超地球，时间流逝也会显著变慢。

由于火星距离太阳比地球更远，其公转速度较慢，这自然导致火星上的时钟比地球走得慢。但火星绕日轨道比地球偏心率更高（更接近椭圆形），意味着火星在稍近太阳时会略微加速，稍远时则会减速。同时，在火星年周期中，其与太阳及地月系统引力场的距离也在持续变化。这些因素共同作用，决定了火星时钟相对于地球的运行速率。对火星上的宇航员而言，一秒仍是一秒；但从地球观测者的视角看，火星上的一秒会比地球时钟测得的一秒流逝得更快。

虽然火星与地球时钟日均差异为477微秒，但根据火星在轨道上相对于地球和月球的位置，这一差值最多可增减226微秒。尽管火星与地球的时间膨胀效应远不如相对论飞船或黑洞视界附近显著，却足以对未来可能围绕火星建立的导航通信系统造成重大干扰。例如，5G网络要求时间精度必须保持在0.1微秒以内。精确掌握时间差异将使地球与火星网络实现同步（需考虑行星间光速传播时间），从而确保信息传输效率。

阿什比表示：“虽然火星表面遍布漫游车轨迹的景象可能还需数十年，但提前研究在其他行星和卫星建立导航系统所涉及的问题具有重要意义。像是现有的全球定位系统，这些系统将依赖于精确时钟，而时钟速率的影响可以通过爱因斯坦广义相对论进行分析。”

阿什比和帕特拉此前曾计算出月球与地球的时间差异，发现月球时钟每天比地球快56微秒。

帕特拉对此表示：“研究月球和火星时间差异的时机已经成熟。这是我们最接近科幻愿景中太阳系扩张蓝图的时刻。”

他们的研究成果已于12月1日发表在《天文学期刊》上。