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如何在太空中记录时间?看似简单实际很复杂

2019-7-11 8:24:05来源:新浪科技作者:叶倾城责编:懒猫评论:

北京时间7月11日消息,据国外媒体报道,未来太空殖民者如何记录时间呢?地球上的年、月和日的时间记录方式并不适用于火星或者月球。

太空殖民者必须面对一些挑战,形成一个地球计时系统的替代方法,并且能够真实守时。地球上的计时系统是由极其稳定的原子钟作为标准参照,原子钟每150亿年计时误差仅1秒。

7月10日,美国科学家举办一场名为“我们将如何在太空中管理自己”的研讨活动。当前,我们生活在人类超越地球、太空扩张殖民的探索时代前沿,依据最新披露的美国宇航局报告,该机构计划2028年建造一个月球基地。这个殖民基地将使我们能够测试抵达火星所需的技术和工具,然后揭晓人类未来探索哪颗星球。

未来人类实现太空生活首先需要解决一个问题——我们如何记录时间。

如何在太空中记录时间,看似简单实际很复杂

建立太空殖民基地和长期飞行存在着诸多技术障碍,例如:人类如何在太空中获取食物?我们如何处理太空垃圾?在地球上,这些问题被认为是理所当然、不足为奇。未来人类实现太空生活首先需要解决一个问题——我们如何记录时间。

记录时间的解决方法可能很简单,带上手表或者查看日历,或者刻画记录每一天!目前人类唯一全时太空基地——国际空间站就是采用这种方法记录时间,空间站工作人员按照格林威治标准时间记录时间,通过与地球保持密切接触,他们可以获得最新时间校准。

国际空间站一天可看到16次日出和日落

但是太空殖民地保持地球时间记录系统也存在很大挑战,原因之一是忽略当地真实性使用一种时间记录方式的操作难度较大,让宇航员遵循24小时格林威治标准时间系统易于保持地面控制同步,但是以地球时间标准作为宇航员太空睡眠作息,将严重影响他们每天的昼夜节律,宇航员需要克服不稳定的光线循环周期。例如:国际空间站每90分钟环绕地球一周,所以在典型的地球24小时一天时间周期中,宇航员每天会看到16次日出和日落。

虽然宇航员可以在太空中持续生活几个月时间,但是宇航员在国际空间站期间存在一种非永久性,我们知道他们不会永远在那里。在地球之外遥远区域建立的太空基地可能采用地球时间系统和日历,同时他们可能建造一个新的人类社会,随着时间的推移,可能需要更适合他们太空生活的永久性解决方案。

专家提出“大流士火星历”

天文学家、科幻作家和痴迷的天文爱好者提出了一系列建议,为潜在的太空殖民基地建立新的计时系统。对那些梦想在太空定居生活的人来讲,火星拥有特殊的吸引力,让人们产生足够的想象,任何定居者将在这里长期生活,并形成独特的生活系统。航空宇宙工程师托马斯·冈加勒(Thomas Gangale)是“大流士火星历”的提出者,这是一套为了未来殖民在火星上的拓荒者而设计的新型历法,是1985年冈加勒设计的,并以自己儿子的名字“大流士”命名。之后“大流士火星历”多次出现在一些科幻小说中,其中包括:科幻作家哈努·拉贾涅米(Hannu Rajaniemi)撰写的《量子小偷》、《星际迷航》系列剧中的时间调查篇章,记录了一个调查时间旅行机构的冒险经历。

冈加勒说:“如果我们要将人类送到火星上定居,他们需要根据火星的自然规律来计算时间,大流士火星历传承了地球传统计时方法,并且适应火星自转和环绕太阳运行的规律。地球自转一次是23小时56分钟,火星自转时间略微长一些,一个火星日是24小时40分钟,火星日的天文学单位称为‘sol’。火星环日轨道长度是地球的两倍,它环绕太阳一周相当于687个地球日,计算为668 sols。

我们可以将时间测量停留在sol等级上,事实上,许多火星日历建议采用这一点。在地球上,儒略历对每个地球日分配一个数字,从公元前4713年1月1日开始算起,作为“0天”。这使得计算以天为基础的时间表变得更加简单,就像计算食物保质期一样。

同样地,火星以sol为基础的日历计算方法相似,是从“0天”开始计算,冈加勒称,或者我们可以假设任何火星历的开始都是以1610年1月伽利略首次望远镜观测到火星为准,或者“0天”可以与火星上其他重要里程碑事件相吻合,例如:1965年7月14日“水手4号”飞船首次飞越火星,1971年11月27日“火星2号”飞船首次着陆火星。

冈加勒说:“但是我们人类是有习惯的动物,很可能会建立一个以我们在地球上拥有一些相同价值观和传统为中心的社会,很多天文学家并没有考虑到守时的社会方面,而是更多地专注于天文学研究。从宇航员在太空生活的实际出发,如何利用时间和记录时间是非常重要的。”

我们很可能希望使用周数和月数记录社会活动和社会经济事件:假日、生日、发薪日、周末、季度投资报告、休假计划、农业种植计划等。冈加勒表示,他设计火星日历的初衷偏于娱乐,想通过这种日历计算使火星月与卫星运行保持同步,月球环绕地球运行一周需要27天时间,地球1个月平均是30天。

火卫一环绕火星一天3次,火卫二每隔30小时环绕火星一次,火星卫星环绕其运行的时间太短暂,很难对一年的时间进行划分。相反,在冈加勒的火星日历中,他将一年(相当于668个地球日)分为24个月,每个月有27或者28个火星日,每月有4个周,每个周有7天,一周中的几天时间是以太阳系天体命名,火星月的命名使用了拉丁语和梵语,表示黄道十二宫中的星座。

火星日和火星月的命名非常有趣,并且非常实用。通过使用不同的名称,火星殖民者可以避免将火星和地球时间混淆。冈加勒说:“在太空建立计时系统是非常重要的,未来人类将实现太空基地与地球的贸易往来。火星星期二的太阳并非总是与地球星期二在相同时间落下,一颗星球上的1月份可能对应于另一颗星球上的3月份,就像火星上的一天被称为‘sol’一样,未来的太空殖民者将会想出‘月’和‘年’的不同术语名称,以便与地球系统完全区分开来。”

个别太空移民可能会依据当地环境而改变自己的生活习惯,冈加勒已经对木卫一、木卫三、木卫四、木卫二和土卫六制作相应的“大流士火星历”,这些星球可能是人类除火星之外的下一个太空前哨站。对于接近地球的太空殖民者,非赢利组织LunarClock.org倡导使用月球标准时间和月球日历,每年由12“天”组成,这里的“天”相对应于地球月份,每“天”以登陆月球的宇航员命名,打破了1天24小时、1个月30天的传统地球计时方式。

深空原子钟每150亿年计时误差仅1秒

其他太空殖民者必须面对一些挑战,形成一个地球计时系统的替代方法,并且能够真实守时。地球上的计时系统是由极其稳定的原子钟作为标准参照,原子钟每150亿年计时误差仅1秒。可惜的是,原子钟仅是冰箱一般大小。太空飞船机载计时器是使用超稳定的振荡器来计算时间,便于太空飞船规划和执行相应操作。美国宇航局深空驾驶员吉尔·塞伯尔特(Jill Seubert)说:“它们并非真实的超级稳定,这种振荡计时器随着时间的推移会产生误差。”

首个超稳定振荡器(USO)应用在上世纪70年代的“旅行者号”探测器,如今仍在人造卫星系统上使用。即使是采用地球日计时方式,这些卫星也必须重新校对,以确保GPS等技术的准确性,仅差百万分之一秒就意味着GPS误差可达数百米。

目前,工程师们通过转换地球精确时间和太空飞船的超稳定振荡器时间读数,能够有效解决这一问题。但是随着我们进入更遥远的太空区域,或者需要更多的即时操作,仍然依赖地球计时方式将变得很麻烦。如果以光速进行计算,地球至月球仅需1秒,而地球至火星则需要4分钟至22分钟,这主要取决于两颗行星的相对位置,它们的相对位置会随着轨道的变化而变化。

塞伯尔特是美国宇航局喷气推进实验室工程师团队的副首席研究员,该实验室建造了第一个深空原子钟。他说:“现在每一艘穿越深空的太空飞船都由宇航员驾驶,我们在地面上计算太空飞船的轨道路径,然后上传至太空飞船。”

太空飞船不是依赖地球通讯系统,而是自身携带原子钟,从而使它们能够保持更精确的当地时间,反过来可计算他们自己的位置,并在没有来自地球帮助的情况下执行太空操作。6月底,深空原子钟搭载一枚SpaceX火箭发射升空,从8月开始,喷气推进实验室科学家将对这个原子钟进行为期1年的评估分析,以确定它的稳定性。

计时系统是太空殖民生活必要技术之一

此外,计时系统将是太空殖民基地必要的技术之一,它将作为一种计时器,也起到当地GPS的作用。科幻电影经常显示宇航员使用带有时间记录地图屏幕的太空飞船,操控在月球或者火星表面。目前,还不具备相应的技术实现以上功能,但是深空原子钟可以提供足够精确的时间和位置,来支持实时跟踪。

迄今为止,大多数太空计时系统构想都是基于地球现有技术,这可能不太现实,但也许太空移民者会利用太空环境来设计全新的计时系统。我们可以完全废除周、月、年的计时方法,而仅仅依靠当地的时间进行计算。就像《星际迷航》中使用的星历系统或者火星sol为基础的日历系统,或者太空殖民地更彻底地将采用挪威北极小镇索玛若伊(Sommarøy)的计时方法,完全废除当前计时系统,由于这里有长达几个月的黑夜和白天延长时期,挪威居民缺少类型的“天计时”概念,持续多年长途旅行的太空旅行者或者外星球殖民者可能会经历类似的情景。索玛若伊镇居民谢尔·奥韦·赫威汀(Kjell Ove Hveding)在接受媒体记者采访时谈到了当地独特的“计时障碍”。他说:“当地不同季节会出现黑夜延长的现象,但我们不得不按时上班,即使下班了,我们仍然要遵循时间规律进行生活。生活经验告诉我,我们不能任性,我们个人意愿无法决定天气好坏,太阳是否晴朗,我们能做的仅是顽强地生存下来。”

在太空中,太阳可能不会一直发光,但是我们太空探索是建立在一个相同的基础之上:只要能存活下来就行。

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