Proč na Rudé planetě stárnete rychleji

Pokud se chystáte na Mars, měli byste si vzít s sebou sklenici krému proti stárnutí, protože když tam budete, budete díky teorii relativity stárnout rychleji než na Zemi. Je to jen 477 miliontin sekundy za den, ale to má tendenci se sčítat.

Pokud se vám podařilo zůstat vzhůru během složitějších hodin fyziky, pravděpodobně jste narazili na Teorii relativity Alberta Einsteina, která srazila newtonovský model vesmíru na šestku tím, že jej vyřadila z univerzálního popisu fungování fyziky na pouhý speciální případ.

Jasně porozumět relativitě je nemožné, aniž byste se dostali do nějaké pěkně husté matematiky, které vás ušetřím, protože jsem ve velkorysé náladě, ale v průběhu let bylo mnoho pokusů vysvětlit tento pojem každodenními termíny, které jsou rozumnou, i když příliš zjednodušenou aproximací.

Jedním z populárních témat relativity je vztah mezi prostorem a časem, kde čas je čtvrtá dimenze, ve které existují tři dimenze prostoru a jak čas plyne, závisí zcela na vašem úhlu pohledu.

AI generované pomocí Gemini

V roce 1956 vydal Robert Heinlein svůj román pro mladistvé Čas pro hvězdykterý je o bratrech dvojčatech, z nichž jeden se vydává na cestu ke hvězdám, zatímco druhý zůstává na Zemi. Vesmírný bratr cestuje rychlostí blízkou rychlosti světla, takže čas plyne pomaleji, ale z jeho pohledu se to zdá být naprosto normální. Pokud by však viděl svého bratra zpět na Zemi, vypadalo by to, jako by se pozemský čas dramaticky zrychlil.

Na konci příběhu se cestující bratr vrací na Zemi jen asi o čtyři roky starší, zatímco jeho domácí sourozenec je o 71 let starší, což se pro všechny zúčastněné ukazuje jako dost skličující – nemluvě o tom, že rozplakává všechny zúčastněné účetní.

Tento druh věcí, nazývaný dilatace času, se může zdát jako oblast sci-fi nebo esoterické fyziky, ale tento efekt má překvapivé každodenní důsledky.

Když byly například první satelity GPS vyslány na nízkou oběžnou dráhu Země, vědci si nemysleli, že by na ně měla dilatace času měřitelný vliv. Průkopník GPS Neil Ashby poukázal na to, že by to mělo velmi velký a nevítaný efekt.

Když satelit GPS obíhá Zemi, pohybuje se rychlostí asi 28 000 km/h. Při použití Einsteinových rovnic to znamená, že čas satelitu běží o sedm milióntin sekundy (7 mikrosekund) za den rychleji než při průměrné hladině moře na Zemi.

Nyní se věci stávají složitějšími, protože to, co mnoho populárně vědeckých článků má tendenci vynechávat, je, že podle teorie relativity čas neovlivňuje pouze rychlost, ale také gravitace. Čím blíže jste k objektu s velmi silnou gravitací, jako je černá díra, tím pomaleji běží čas. Nicméně, a to je ten dráždivý kousek, pohybuje se relativně rychleji, když se vzdalujete od objektu. To znamená, že když je satelit na oběžné dráze, nižší gravitace, protože je dále od Země, zrychluje čas.

AI generované pomocí MS365

To znamená, že náš satelit GPS ztrácí sedm mikrosekund času, ale získá 45 mikrosekund za den, takže čas pro satelit běží o 38 mikrosekund rychleji za den, když se sečtou účinky.

To vše se scvrkává na to, že pokud není v systému GPS zabudována korekce, výpočty polohy by byly o několik mil za den mimo a strávili bychom spoustu času obtěžováním policistů, majitelů garáží a úplně cizích lidí, aby našli cestu.

S tím, jak se lidstvo pravidelně přesouvá dále a dále do vesmíru, se to stává mnohem více praktickým problémem. Nejenže je třeba upravit satelitní hodiny, protože jsou umístěny na vyšších oběžných drahách, ale Američané chtějí, aby Měsíc dostal své vlastní speciální časové pásmo, protože čas tam běží o 56 mikrosekund denně rychleji než na Zemi.

A pak je tu Mars. S plány na častější a ambicióznější mise vysílané na Rudou planetu následované lidskými koloniemi se časový problém stává ještě obtížnějším, což se snaží vyřešit Ashby a Bijunath Patla z Národního institutu pro standardy a technologie (NIST).

Zjistili, že časové rozdíly na Marsu jsou ve srovnání s Měsícem složitější, protože při výpočtech pro Měsíc je třeba do součtů zahrnout pouze gravitaci Země, Měsíce a Slunce. U Marsu je to však problém se čtyřmi tělesy, přičemž samotný Mars je vržen do směsi a výpočty jsou řádově obtížnější na řešení.

Horší je, že Mars se pohybuje po eliptičtější dráze než Měsíc, takže jeho rychlost kolem Slunce se v průběhu marťanského roku mění. Na jeho oběžné dráze je také trochu zakolísání, které věci pokazí. Výsledkem je, že výpočet týmu předpovídá, že čas na Marsu běží o 477 mikrosekund za den rychleji, s fluktuací 266 mikrosekund, kterou je třeba započítat v kterémkoli bodě roku.

To nebude snadné. U satelitů GPS lze nesrovnalost opravit pouhým zpomalením palubních hodin. U Marsu je to mnohem složitější, protože se nesnažíte jen opravit chybu GPS 89 mil (143 km) za den. Máte také co do činění se stále složitějším komunikačním systémem – internetem Sluneční soustavy – takže budete potřebovat dynamickou, neustále se měnící korekci, abyste nezpackali přenos a příjem datových paketů.

„Je dobré poprvé vědět, co se děje na Marsu z časového hlediska,“ řekl Ashby. „To předtím nikdo nevěděl. Zlepšuje to naše znalosti o teorii samotné, teorii o tom, jak hodiny tikají a teorii relativity. Běh času je pro teorii relativity zásadní: jak si to uvědomujete, jak to počítáte a co to ovlivňuje. Mohou to vypadat jako jednoduché pojmy, ale jejich výpočet může být docela komplikovaný.“

Výzkum byl publikován v The Astronomical Journal.

Zdroj: NIST