火星的时间究竟是怎样？物理学家的深入揭秘

问地球上的人时间，他们可以给你一个确切的答案，这要归功于我们星球复杂的计时系统，这个系统是由原子钟、GPS卫星和高速电信网络构成的。

然而，爱因斯坦告诉我们，宇宙中的时钟走动速度并不相同。时钟的走动速度会因其环境中的重力强度而略微加快或减慢，这使得我们在地球上同步手表变得困难，更不用说在浩瀚的太阳系中。如果人类想要在红色星球上建立长期存在，科学家们需要知道：火星上是什么时间？

美国国家标准与技术研究院（NIST）的物理学家首次计算出了一个精确答案。平均而言，火星上的时钟每天比地球快477微秒（百万分之一秒）。然而，火星的 偏心轨道 和来自其天体邻居的重力可以在火星年期间使这个时间差每天增加或减少多达226微秒。

这些发现刚刚发表在 天文学杂志上，这篇文章跟随了一篇 2024年的论文，其中NIST的物理学家制定了月球精确计时的计划。

NIST物理学家Bijunath Patla表示，了解火星时钟的走动方式是未来太空任务的基石。随着NASA计划进行火星探索任务，了解我们邻近的行星的时间将有助于在太阳系中同步导航和通信。

“现在正是探索月球和火星的最佳时机，”帕特拉说。“这是我们实现科幻愿景、扩展到整个太阳系的最接近的时刻。”

火星时区

火星的日子和年数比地球的要长。火星的一天，即火星自转一周，比地球长40分钟，围绕太阳公转需要687天，而地球只需365天。但科学家需要知道火星上每一秒的流逝的快慢与地球相比是快还是慢。

如果你带着原子钟降落在火星表面，它的走时方式与在地球上是一样的。但如果你把火星的钟和地球上的钟进行比较，它们将不同步。挑战在于确定火星的时间与地球的时间相差多少，就像计算时区差一样。

这比NIST的物理学家们预期的要复杂得多了。爱因斯坦的相对论指出，重力的强度会影响时间的流逝。在重力较强的地方，钟表走得更慢一些；而在重力较弱的地方，钟表走得更快。行星的轨道速度也会导致钟表走得更慢或更快。

多年来从火星任务中收集的数据让我们能够选择火星表面上的一个点作为参考，类似于地球赤道的海平面。帕特拉和NIST的同事尼尔·阿什比能够估算出火星表面的重力，这比地球的重力弱了五倍。

但他们需要考虑的不仅仅是火星的重力。我们的太阳系还有其他巨大的天体相互吸引。太阳本身就占据了我们太阳系中超过99%的质量。火星在太阳系中的位置——它与太阳的距离、邻近的地球、月球、木星和土星——使它的轨道更加偏心且拉长。地球和月球的轨道相对恒定；月球上的时间始终比地球上的时间快56微秒。

“但对于火星来说，情况并非如此。它与太阳的距离和偏心轨道使得时间的变化更大。三体问题极其复杂。现在我们要处理四个天体：太阳、地球、月球和火星，”帕特拉解释道。“这项工作比我最开始想的要困难得多。”

在考虑了所有这些影响因素——火星表面引力、火星的偏心轨道、太阳、地球和月球对火星的影响——帕特拉和阿什比得出了他们的答案。

为太阳系互联网铺平道路

也许477百万分之一秒听起来并不算多——这大约是眨眼时间的千分之一。但考虑到微小的时间差异对于开发通信网络至关重要。例如，5G网络需要在十分之一微秒内保持准确。

目前，地球与火星之间的通信延迟在四到24分钟之间（有时更长）。这就像是电报发明之前的通信，帕特拉解释道：人们把手写信交给一艘船，让它横渡海洋，然后等待几周或几个月，另一艘船再送来回复。

为行星之间的时间框架奠定基础为创建 同步网络 铺平了道路，跨越广阔的距离。

“如果你实现了同步，它几乎就像实时通信那样，没有任何信息损失。你不必等待看看会发生什么，”帕特拉说。

这些网络离现实还有很远，长期的人类和机器人火星任务也是如此，阿什比指出。研究这些问题有助于科学家为他们将遇到的所有变量做好准备。

“可能要几十年才能让火星表面被游荡探测器留下的轨迹覆盖，但现在研究在其他行星和卫星上建立导航系统所涉及的问题是有用的，”阿什比说。“像现在的全球导航系统，比如GPS，这些系统将依赖于准确的时钟，时钟速率的影响可以借助爱因斯坦的广义相对论进行分析。”

帕特拉补充说，这些知识也具有科学价值。理解遥远行星上的时钟是如何走的，是新信息，并且是基于爱因斯坦的特殊和广义相对论。

“第一次了解火星的时间状况真是令人振奋。之前没有人对此有所了解。这提升了我们对理论本身的理解，包括时钟是如何运作的以及相对论的相关理论，”他说。“时间的流逝是相对论的基础：你如何感知时间、如何进行计算，以及哪些因素会影响它。这些概念看似简单，但实际计算起来可能相当复杂。”

更多信息：Neil Ashby等，火星时间与月球及地球时钟的比较研究，天文学杂志（2025）。 DOI: 10.3847/1538-3881/ae0c16

由国家标准与技术研究所发布