A modern csillagászat és az űrkutatás fejlődése új kérdéseket vet fel, amelyek alapjaiban rengetik meg a hagyományos időszemléletünket. Einstein relativitáselméletének alkalmazásával fizikusok egy csoportja arra a megállapításra jutott, hogy a Holdon 58 mikromásodperccel gyorsabban telik az idő, mint a Földön. Ez 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.
Az idő relativitása az égi kísérőnkön
Nem is olyan egyszerű megválaszolni azt a kérdést, hogy mennyi az idő a Holdon. Einstein relativitáselméleteinek felhasználásával furcsa eredményre jutottak a kutatók. 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. 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.
A gravitáció és a mozgás hatása az órák ketyegésére
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.
Az általános relativitáselmélet egyszerűen és vizuálisan elmagyarázva
"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. 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.
A téridő geometriája és a navigációs pontosság
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. 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. Gramling megjegyezte, hogy a fény 30 centimétert halad 1 nanoszekundum alatt, 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.
Az abszolút idő hiánya és a referenciakeretek
Már Einstein is felismerte, 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 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.
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. 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.
A holdidő szabványosításának kihívásai
Most meg kell kérdeznünk az időméréssel foglalkozó szakértők egész nemzetközi közösségét, hogy ez az a modell, amelyet szabványosíthatunk a Holdra. 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.
A földi idő és egy másik égitesten mérhető idő közötti eltérés már egészen jelentékeny eltéréseket okozhat például a navigációban, a kommunikációban, és általában az elektronikai rendszerek működésében. Ezért elsődleges fontosságú volt a földi és a Holdon mérhető idő sebességkülönbségének pontos meghatározása. A relativitáselméletet felhasználó kutatók nagy szolgálatot tettek azzal, hogy megjelentették ezt a munkát, amely utat nyit a precíz holdi navigáció és a jövőbeli expedíciók biztonságosabbá tétele előtt. A kérdés már nem az, hogy létezik-e az időeltolódás, hanem az, hogyan integráljuk ezt a kozmikus valóságot a jövő holdi infrastruktúrájába.