Περιεχόμενα
Ίσως η πιο εντυπωσιακή ιδιορρυθμία του σύμπαντός μας είναι το εγγενές πρόβλημα με τη μέτρηση του χρόνου: Τα δευτερόλεπτα περνούν λίγο πιο γρήγορα στην κορυφή ενός βουνού απ’ ό,τι στις κοιλάδες της Γης. Για πρακτικούς λόγους, οι περισσότεροι άνθρωποι δεν χρειάζεται να ανησυχούν γι΄ αυτές τις διαφορές.
Όμως η αναζωπύρωση του ενδιαφέροντος για την κατάκτηση του διαστήματος, έχει κάνει τις Ηνωμένες Πολιτείες, την Ευρώπη, καθώς και την Κίνα και τη Ρωσία, να έχουν αναγάγει σε προτεραιότητα τη δημιουργία μόνιμων οικισμών στο φεγγάρι – και αυτό έχει φέρει τις ιδιομορφίες του χρόνου, για άλλη μια φορά, στο προσκήνιο.
Στο φεγγάρι, μια ημέρα θα ήταν περίπου 56 μικροδευτερόλεπτα μικρότερη από ό,τι στον πλανήτη μας – ένας μικροσκοπικός αριθμός που μπορεί να οδηγήσει σε σημαντικές ασυνέπειες με την πάροδο του χρόνου. Η NASA και οι διεθνείς εταίροι της παλεύουν επί του παρόντος με αυτό το αίνιγμα.
Οι επιστήμονες δεν επιδιώκουν απλώς να δημιουργήσουν μια νέα «ζώνη ώρας» στο φεγγάρι. Αντίθετα, η διαστημική υπηρεσία και οι εταίροι της επιδιώκουν να δημιουργήσουν μια εντελώς νέα «κλίμακα χρόνου» ή ένα νέο σύστημα μέτρησης που θα λαμβάνει υπόψη το γεγονός ότι τα δευτερόλεπτα περνούν πιο γρήγορα στο φεγγάρι, δήλωσε η Σέριλ Γράμλινγκ, υπεύθυνη του Κέντρου Διαστημικών Πτήσεων Goddard της NASA στο Μέριλαντ. Πρόκειται για ένα θέμα ζωτικής σημασίας για τους ανθρώπους που επισκέπτονται τον κοντινότερο ουράνιο γείτονά μας, πρόσθεσε.
Οι αστροναύτες, για παράδειγμα, πρόκειται να εγκαταλείψουν τις κατοικίες τους για να εξερευνήσουν το φεγγάρι και να διεξάγουν επιστημονικές έρευνες, είπε. Θα επικοινωνούν μεταξύ τους ή θα οδηγούν τα σεληνιακά τους αμαξίδια ενώ βρίσκονται στη σεληνιακή επιφάνεια. «Όταν πλοηγούνται σε σχέση με το φεγγάρι», πρόσθεσε η Γράμλινγκ, «ο χρόνος θα πρέπει να είναι σχετικός με το φεγγάρι».
Photo Credit: Shutterstock
Μια σύντομη ιστορία της ώρας της Γης
Τα απλά ηλιακά ρολόγια ή οι πέτρινοι σχηματισμοί που καταγράφουν τις σκιές καθώς ο ήλιος περνάει από πάνω τους, καταγράφουν την εξέλιξη μίας ημέρας, με τον ίδιο τρόπο που οι φάσεις της σελήνης μπορούν να καταγράψουν το πέρασμα ενός μήνα στη Γη.
Αυτοί οι φυσικοί χρονομετρητές έχουν βάλει «σε πρόγραμμα» τους ανθρώπους εδώ και χιλιετίες. Βέβαια από τότε που τα μηχανικά ρολόγια κέρδισαν έδαφος στις αρχές του 14ου αιώνα, οι ωρολογοποιοί έγιναν όλο και πιο σχολαστικοί όσον αφορά την ακρίβεια.
Η ακριβής μέτρηση των δευτερολέπτων έγινε πιο περίπλοκη στις αρχές της δεκαετίας του 1900, χάρη στον Άλμπερτ Αϊνστάιν που συγκλόνισε την επιστημονική κοινότητα με τη θεωρία της σχετικότητας.
«Ανάθεμα αυτόν τον Αϊνστάιν – επινόησε τη θεωρία της σχετικότητας και τα πολλά παράξενα πράγματα που προκύπτουν από αυτήν», δήλωσε ο Μπρους Μπετς, επικεφαλής επιστήμονας της Planetary Society, μιας μη κερδοσκοπικής ομάδας διαστημικών συμφερόντων. «Ένα από αυτά είναι ότι η βαρύτητα επιβραδύνει το χρόνο».
Σε γενικές γραμμές τέθηκε το πλαίσιο που εξηγεί πώς η βαρύτητα επηρεάζει το χώρο και το χρόνο. Φανταστείτε ότι το ηλιακό μας σύστημα είναι ένα κομμάτι ύφασμα που αιωρείται στον αέρα. Αυτό το ύφασμα είναι ο ίδιος ο χώρος και ο χρόνος – που σύμφωνα με τις θεωρίες του Αϊνστάιν είναι άρρηκτα συνδεδεμένοι. Κάθε ουράνιο σώμα μέσα στο ηλιακό σύστημα, από τον ήλιο μέχρι τους πλανήτες, είναι σαν μια βαριά μπάλα που κάθεται πάνω στο ύφασμα. Όσο πιο βαριά είναι η μπάλα, τόσο πιο βαθύ είναι το βαθούλωμα που δημιουργεί, παραμορφώνοντας τον χώρο και τον χρόνο.
Ακόμα και η ιδέα ενός γήινου «δευτερολέπτου» είναι μια ανθρώπινη έννοια που είναι δύσκολο να μετρηθεί. Ήταν όμως η θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν που εξήγησε γιατί ο χρόνος περνάει ελαφρώς πιο αργά σε χαμηλότερα υψόμετρα. Αυτό συμβαίνει επειδή η βαρύτητα έχει ισχυρότερη επίδραση κοντά σε ένα ογκώδες αντικείμενο (όπως ο πλανήτης μας).
Οι επιστήμονες βρήκαν μια σύγχρονη λύση σε όλες τις επιπλοκές της σχετικότητας για τη μέτρηση του χρόνου στη Γη: Για να εξηγήσουν τις ανεπαίσθητες διαφορές, έχουν εγκαταστήσει μερικές εκατοντάδες ατομικά ρολόγια σε διάφορες τοποθεσίες ανά την υφήλιο. Τα ατομικά ρολόγια είναι εξαιρετικά ακριβή όργανα που χρησιμοποιούν τη δόνηση των ατόμων για να μετρήσουν το πέρασμα του χρόνου, και τα ρολόγια αυτά – σύμφωνα με τις θεωρίες του Αϊνστάιν – χτυπούν πιο αργά όσο πιο κοντά στην επιφάνεια της Γης βρίσκονται.
Photo Credit: Shutterstock
Χώρο και χρόνος: Το διαρκές ερώτημα
Αν ο χρόνος κινείται διαφορετικά στις κορυφές των βουνών απ’ ό,τι στις ακτές του ωκεανού, μπορείτε να φανταστείτε ότι τα πράγματα γίνονται ακόμα πιο περίπλοκα όσο απομακρύνεστε από τη Γη. Σκεφτείτε, για παράδειγμα, ότι σύμφωνα με τη θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν, όσο πιο γρήγορα κινείται ένα άτομο ή ένα διαστημόπλοιο τόσο πιο αργά περνά ο χρόνος.
Οι αστροναύτες στον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό είναι τυχεροί, δήλωσε ο Μπιζουνάθ Πάτλα, θεωρητικός φυσικός του Εθνικού Ινστιτούτου Προτύπων και Τεχνολογίας των ΗΠΑ. Παρόλο που ο διαστημικός σταθμός βρίσκεται σε τροχιά περίπου 322 χιλιόμετρα πάνω από την επιφάνεια της Γης, ταξιδεύει επίσης με μεγάλες ταχύτητες – κάνοντας 16 φορές την ημέρα έναν κύκλο γύρω από τον πλανήτη – οπότε οι επιδράσεις της σχετικότητας εξουδετερώνουν κάπως η μία την άλλη, δήλωσε ο Πάτλα. Για το λόγο αυτό, οι αστροναύτες στο εργαστήριο που βρίσκεται σε τροχιά μπορούν εύκολα να χρησιμοποιήσουν τη γήινη ώρα για να παραμείνουν στο πρόγραμμα.
Γι’ άλλες αποστολές βέβαια δεν είναι τόσο απλό. Ευτυχώς, οι επιστήμονες έχουν ήδη δεκαετίες εμπειρίας πάνω στο ζήτημα αυτό. Τα διαστημόπλοια είναι εξοπλισμένα με τα δικά τους ρολόγια που ονομάζονται ταλαντωτές, δήλωσε η Γράμλινγκ.
«Διατηρούν το δικό τους χρόνο» είπε και συνέχισε: «Οι περισσότερες από τις λειτουργίες για τα διαστημόπλοια – ακόμη και για τα διαστημόπλοια που βρίσκονται στον Πλούτωνα ή στη ζώνη του Κάιπερ*, όπως το New Horizons – βασίζονται σε επίγειους σταθμούς που βρίσκονται πίσω στη Γη. Έτσι, όλα όσα κάνουν πρέπει να συσχετίζονται με την UTC».
Photo Credit: NASA
Την ίδια στιγμή, όμως βασίζονται και στον δικό τους χρόνο. Τα οχήματα που εξερευνούν βαθιά μέσα στο ηλιακό σύστημα πρέπει να γνωρίζουν – με βάση τη δική τους χρονική κλίμακα – πότε πλησιάζουν έναν πλανήτη σε περίπτωση που το διαστημόπλοιο χρειάζεται να χρησιμοποιήσει αυτό το πλανητικό σώμα για σκοπούς πλοήγησης, πρόσθεσε η Γράμλινγκ.
Εδώ και 50 χρόνια, οι επιστήμονες είναι επίσης σε θέση να παρατηρούν τα ατομικά ρολόγια που είναι κρυμμένα στους δορυφόρους GPS, οι οποίοι βρίσκονται σε τροχιά γύρω από τη Γη σε απόσταση περίπου 20.200 χιλιομέτρων – ή περίπου το 1/19 της απόστασης μεταξύ του πλανήτη μας και του φεγγαριού.
Η μελέτη αυτών των ρολογιών έχει δώσει στους επιστήμονες ένα εξαιρετικό σημείο εκκίνησης για να σχεδιάσουν τη νέα κλίμακα χρόνου για το φεγγάρι, δήλωσε ο Πάτλα.
«Μπορούμε εύκολα να συγκρίνουμε τα ρολόγια (GPS) με τα ρολόγια στο έδαφος», δήλωσε ο Πάτλα, προσθέτοντας ότι οι επιστήμονες έχουν βρει έναν τρόπο να επιβραδύνουν απαλά τα ρολόγια GPS, κάνοντάς τα να χτυπούν πιο ευθυγραμμισμένα με τα ρολόγια στη Γη. «Προφανώς, δεν είναι τόσο εύκολο όσο ακούγεται, αλλά είναι ευκολότερο από το να δημιουργηθεί ένα χάος».
Για το φεγγάρι, ωστόσο, οι επιστήμονες πιθανότατα δεν θα επιδιώξουν να επιβραδύνουν τα ρολόγια. Ελπίζουν να μετρήσουν με ακρίβεια τον σεληνιακό χρόνο όπως είναι – ενώ παράλληλα θα διασφαλίσουν ότι μπορεί να συσχετιστεί με τον γήινο χρόνο, σύμφωνα με τον Πάτλα, ο οποίος πρόσφατα συνέγραψε μια εργασία που περιγράφει λεπτομερώς ένα πλαίσιο για τον σεληνιακό χρόνο.
Η μελέτη προσπάθησε επίσης να προσδιορίσει επακριβώς πόση διαφορά υπάρχει μεταξύ σεληνιακής και γήινης ώρας, καθώς οι εκτιμήσεις κυμαίνονται μεταξύ 56 και 59 μικροδευτερολέπτων ανά ημέρα. Τα ρολόγια στον ισημερινό της σελήνης θα χτυπούσαν 56,02 μικροδευτερόλεπτα ταχύτερα ανά ημέρα από τα ρολόγια στον ισημερινό της Γης, σύμφωνα με την εργασία.
Το σεληνιακό ρολόι
Αυτό που οι επιστήμονες γνωρίζουν με βεβαιότητα είναι ότι πρέπει να στείλουν όργανα χρονομέτρησης ακριβείας στο φεγγάρι. Ποιος ακριβώς πληρώνει για τα σεληνιακά ρολόγια, ποιος τύπος ρολογιού θα πάει και πού θα τοποθετηθούν, είναι όλα ερωτήματα που παραμένουν στον αέρα, επισήμανε η Γράμλινγκ.
Τα ατομικά ρολόγια, σημείωσε, είναι εξαιρετικά για τη μακροπρόθεσμη σταθερότητα, ενώ οι κρυσταλλικοί ταλαντωτές έχουν πλεονέκτημα για τη βραχυπρόθεσμη σταθερότητα. «Ποτέ δεν εμπιστεύεσαι ένα ρολόι», πρόσθεσε η Γράμλινγκ. «Και ποτέ δεν εμπιστεύεσαι δύο ρολόγια».
Ρολόγια διαφόρων τύπων θα μπορούσαν να τοποθετηθούν μέσα σε δορυφόρους που βρίσκονται σε τροχιά γύρω από το φεγγάρι ή ίσως σε ακριβείς θέσεις στη σεληνιακή επιφάνεια που θα επισκεφθούν μια μέρα οι αστροναύτες.
Όσον αφορά την τιμή, ένα ατομικό ρολόι που αξίζει για διαστημικά ταξίδια θα μπορούσε να κοστίσει περίπου μερικά εκατομμύρια δολάρια, με τους κρυσταλλικούς ταλαντωτές να είναι σημαντικά φθηνότεροι. Αλλά παίρνεις αυτό που πληρώνεις, είπε ο Πάτλα.
«Οι πολύ φθηνοί ταλαντωτές μπορεί να έχουν σφάλματα κατά χιλιοστά του δευτερολέπτου ή ακόμη και 10 χιλιοστά του δευτερολέπτου», πρόσθεσε. «Και αυτό είναι σημαντικό επειδή για σκοπούς πλοήγησης – πρέπει να έχουμε τα ρολόγια συγχρονισμένα με ακρίβεια 10 νανοδευτερολέπτων».
Ένα δίκτυο ρολογιών στο φεγγάρι θα μπορούσε να λειτουργήσει συντονισμένα για να ενημερώσει για τη νέα σεληνιακή κλίμακα ώρας, όπως ακριβώς κάνουν τα ατομικά ρολόγια για την UTC στη Γη. Η νέα χρονική κλίμακα θα στηρίξει ένα ολόκληρο σεληνιακό δίκτυο, το οποίο η NASA και οι σύμμαχοί της ονόμασαν LunaNet.
Η δημιουργία ενός τέτοιου δικτύου σημαίνει ότι θα πρέπει να συγκεντρωθούν πολλοί άνθρωποι από όλο τον κόσμο. Μέχρι στιγμής, δήλωσε η Γράμλινγκ, οι συζητήσεις με τους εταίρους των ΗΠΑ ήταν «πολύ θετικές».
Δεν είναι σαφές αν η NASA και οι εταίροι της σε αυτή την προσπάθεια, στους οποίους περιλαμβάνεται και η Ευρωπαϊκή Υπηρεσία Διαστήματος, θα κερδίσουν τη συμμετοχή χωρών που δεν είναι σύμμαχοι των ΗΠΑ, όπως η Κίνα. Η Γράμλινγκ διευκρίνισε ότι οι συζητήσεις αυτές θα διεξαχθούν μέσω των διεθνών οργανισμών, όπως η Διεθνής Αστρονομική Ένωση.
«Μια εντελώς διαφορετική νοοτροπία»
Το ακριβές ρολόι είναι ένα θέμα. Αλλά το πώς οι μελλοντικοί αστροναύτες που θα ζουν και θα εργάζονται στη σεληνιακή επιφάνεια θα βιώνουν τον χρόνο είναι ένα εντελώς διαφορετικό ζήτημα.
Στη Γη, η αίσθηση της ημέρας διέπεται από το γεγονός ότι ο πλανήτης ολοκληρώνει μια περιστροφή κάθε 24 ώρες, δίνοντας στις περισσότερες τοποθεσίες έναν σταθερό κύκλο φωτός ημέρας και σκοτεινών νυχτών. Στο φεγγάρι, ωστόσο, ο ισημερινός δέχεται περίπου 14 ημέρες ηλιακού φωτός που ακολουθούνται από 14 ημέρες σκοταδιού.
«Πρόκειται για μία πολύ διαφορετική αντίληψη» για το φεγγάρι, δήλωσε ο Μπετς. «Η NASA μιλά για προσεδάφιση αστροναυτών στη νότια πολική περιοχή (του φεγγαριού), όπου υπάρχουν μόνιμα φωτισμένες και μόνιμα σκιασμένες περιοχές. Θα είναι μια πρόκληση» πρόσθεσε ο Μπετς.
Photo Credit: NASA/GSFC/Arizona State University
Παρόλα αυτά, η ακριβής χρονομέτρηση έχει σημασία – όχι μόνο για την επιστημονική κατανόηση του χρόνου στο φεγγάρι, αλλά και για τη δημιουργία όλων των υποδομών που είναι απαραίτητες για την εκτέλεση αποστολών.
Η ομορφιά της δημιουργίας μιας κλίμακας χρόνου από το μηδέν είναι ότι οι επιστήμονες μπορούν να πάρουν όλα όσα έχουν μάθει για τη χρονομέτρηση στη Γη και να τα εφαρμόσουν σε ένα νέο σύστημα στο φεγγάρι. «Προσβλέπουμε σε μεγάλο βαθμό στην εκτέλεση αυτού του προγράμματος στο φεγγάρι, μαθαίνοντας ό,τι μπορούμε να μάθουμε», δήλωσε η Γράμλινγκ, «έτσι ώστε να είμαστε προετοιμασμένοι να κάνουμε το ίδιο πράγμα στον Άρη και σε άλλους πλανήτες μελλοντικά».
*Η Ζώνη του Κάιπερ ή Ζώνη του Κούιπερ, είναι μεγάλο σύνολο μικρών σωμάτων στην περιοχή του εξωτερικού Ηλιακού συστήματος. Είναι ένας δίσκος στο επίπεδο της κίνησης των πλανητών και σε απόσταση από 30 μέχρι 50 περίπου αστρονομικές μονάδες από τον Ήλιο.
Πηγή: CNN
