كتب – رامز يوسف:
باستخدام نظرية أينشتاين للنسبية العامة، وجد الفيزيائيون أن الساعات على القمر تعمل أسرع بمقدار 56 ميكروثانية من الساعات على الأرض. سيساعد هذا الاكتشاف البعثات القمرية المستقبلية في التنقل.
في أبريل 2024، أصدر البيت الأبيض تحديًا للعلماء لإنشاء معيار للوقت القمري، بالنظر إلى زيادة الوجود الدولي على القمر والقواعد البشرية المحتملة كجزء من مبادرة أرتميس التابعة لوكالة ناسا. السؤال الحقيقي الذي يثير الحيرة ليس “ما هو الوقت؟” بل “ما مدى سرعة مرور الوقت؟”
يمكن لأي شخص ضبط الوقت، لكن الفيزياء تحدد سرعة مرور الوقت. في السنوات الأولى من القرن العشرين، قرر ألبرت أينشتاين أن المراقبين لن يتفقا على طول الساعة إذا لم يتحركا بنفس السرعة في نفس الاتجاه. وينطبق هذا الخلاف أيضًا بين شخص على سطح الأرض وآخر في مدار حول الأرض أو على القمر.
قال الفيزيائي النظري بيجوناث باتلا من المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا في بولدر بولاية كولورادو: “إذا كنا على القمر، فإن الساعات ستدق بشكل مختلف عن الأرض”. وأشار إلى أن حركة القمر بالنسبة لحركتنا تجعل الساعات تعمل بشكل أبطأ من المعتاد على الأرض، لكن جاذبيته المنخفضة تؤدي إلى تشغيل الساعات بشكل أسرع. لذا فإن هذين التأثيرين متنافسان، والنتيجة الصافية لذلك هي انجراف قدره 56 ميكروثانية في اليوم، (0.000056 من الثانية).
استخدم باتلا وزميله الفيزيائي في المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا نيل آشبي نظرية أينشتاين للنسبية العامة لحساب هذا الرقم. ونشروا نتائجهم في المجلة الفلكية.
على الرغم من أن الفارق الذي يبلغ 56 ميكروثانية صغير وفقًا للمعايير البشرية، لكنه مهم عندما يتعلق الأمر بتوجيه مهام متعددة بدقة متناهية أو التواصل بين الأرض والقمر.
قالت شيريل جراملينج، مهندسة الأنظمة في مركز جودارد لرحلات الفضاء التابع لوكالة ناسا: “الأمر الأساسي هو سلامة الملاحة في سياق النظام البيئي القمري عندما يكون لديك الكثير من النشاط على القمر أكثر مما لديك الآن.. عندما يتعلق الأمر بالملاحة، فإن الانجراف بمقدار 56 ميكروثانية على مدار اليوم بين الساعة على القمر والأرض يشكل فرقًا كبيرًا، لذلك عليك استيعاب ذلك”.
تعتمد الملاحة الدقيقة الحديثة على مزامنة الساعات، وتتضمن التنسيق باستخدام الموجات الراديوية، التي تنتقل بسرعة الضوء. لاحظ جراملينج أن الضوء يقطع مسافة 30 سنتيمترًا، في نانوثانية واحدة (0.001 ميكروثانية) – وهي فترة زمنية قصيرة بشكل لا يصدق وفقًا للمعايير البشرية – لذا فإن الفشل في حساب التناقض الذي يبلغ 56 ميكروثانية يمكن أن يؤدي إلى أخطاء ملاحية تصل إلى 17 كيلومترًا في اليوم. حتى جزء بسيط من ذلك غير مقبول عندما يتعلق الأمر بمهام أرتميس، التي ستتطلب معرفة موقع كل مركبة جوالة أو مركبة هبوط أو رائد فضاء في حدود 10 أمتار في جميع الأوقات.
السقوط الحر
إحدى النتائج الرئيسية لنظرية النسبية هي أنه لا يوجد شيء مثل الوقت المطلق. ستدق الساعة على سطح الأرض بشكل أبطأ من تلك الموجودة في المدار بسبب التأثيرات الجاذبية، ولهذا السبب يجب على أقمار GPS أن تأخذ النسبية في الاعتبار. يستخدم التوقيت العالمي المنسق وغيره من المعايير على الأرض شبكات من الساعات التي تصحح الاختلافات الجاذبية الصغيرة عند ارتفاعات مختلفة أيضًا.
يضيف تحديد الفرق في قياس الوقت بين الأرض والقمر تعقيدات إضافية. يتحرك القمر بالنسبة لأي بقعة على سطح الأرض بسبب دورانه ومداره حولنا، ما يعني أن أي ساعة قمرية ستبدو وكأنها تعمل بشكل أبطأ من وجهة نظرنا. بالإضافة إلى ذلك، تتأثر أي ساعة على القمر بجاذبية القمر والأرض. والأقمار الصناعية ليست كبيرة أو ضخمة بما يكفي لتأثيرات جاذبيتها الخاصة.
يتطلب التعامل بشكل صحيح مع تأثيرات النسبية، اختيار إطار مرجعي مناسب. عالج آشبي وباتلا المشكلة بالاعتراف بأن نظام الأرض والقمر في حالة سقوط حر – يتحرك فقط تحت تأثير جاذبية الشمس – مع دوران كل منهما حول مركز كتلتهما المتبادلة. ومكنهم ذلك من صياغة المساهمات من كل تعقيد: دوران كل جسم، وقوى المد والجزر، والانحرافات في الشكل عن الكرات المثالية، وما إلى ذلك.
كما أجرى آشبي وباتلا حسابًا للمواقع المستقرة جاذبيًا في المدار بين الأرض والقمر والمعروفة باسم نقاط لاجرانج، والتي يمكن استخدامها لأقمار الاتصالات.
وفي الوقت نفسه، لجأ الفيزيائي النظري سيرجي كوبيكين من جامعة ميسوري وعالم الفلك جورج كابلان من المرصد البحري الأمريكي إلى حساب تحول زمني قدره 56 ميكروثانية بين الأرض والقمر بشكل مستقل، ومراعاة تقلبات أصغر ودورية في معدلات الساعة بسبب الاختلافات الطفيفة في قوة المد والجزر من الشمس والمشتري، وهي تأثيرات على مستوى النانو ثانية، ومع ذلك، يجب أخذها في الاعتبار للحصول على دقة ملاحية بمقياس 10 أمتار أو أفضل.
وقال جراملينج: “قدم لنا مجتمع النسبية خدمة عظيمة بنشر كل هذا العمل.. الآن أصبح لدينا ما نطرحه على المجتمع الدولي بأكمله من خبراء التوقيت ونقول، هل هذا هو النموذج الذي يمكننا توحيده للقمر؟”
ستمر سنوات عديدة أو عقود من الزمان قبل أن يمتلئ القمر بالبشر والروبوتات الكافية لاحتياج هذا المستوى من ضبط الوقت. ومع ذلك، يدرك العلماء والمهندسون مدى أهمية وجود وقت قياسي قمري قبل فترة طويلة من الحاجة إليه. والآن اتخذوا تلك الخطوة الأولى الصعبة نحو معرفة الوقت على القمر.
المصدر: Eos.org.
اقرأ أيضا:
