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如何在太空中記錄時間?看似簡單實際很複雜

http://finance.sina.com   2019年07月10日 17:18   北京新浪網

  太空殖民者必須面對一些挑戰,形成一個地球計時系統的替代方法,並且能夠真實守時。地球上的計時系統是由極其穩定的原子鐘作爲標準參照,原子鐘每150億年計時誤差僅1秒。  太空殖民者必須面對一些挑戰,形成一個地球計時系統的替代方法,並且能夠真實守時。地球上的計時系統是由極其穩定的原子鐘作爲標準參照,原子鐘每150億年計時誤差僅1秒。

  新浪科技訊 北京時間7月11日消息,據國外媒體報道,未來太空殖民者如何記錄時間呢?地球上的年、月和日的時間記錄方式並不適用於火星或者月球。

  7月10日,美國科學家舉辦一場名爲“我們將如何在太空中管理自己”的研討活動。當前,我們生活在人類超越地球、太空擴張殖民的探索時代前沿,依據最新披露的美國宇航局報告,該機構計劃2028年建造一個月球基地。這個殖民基地將使我們能夠測試抵達火星所需的技術和工具,然後揭曉人類未來探索哪顆星球。

未來人類實現太空生活首先需要解決一個問題——我們如何記錄時間。未來人類實現太空生活首先需要解決一個問題——我們如何記錄時間。

  如何在太空中記錄時間,看似簡單實際很複雜

  建立太空殖民基地和長期飛行存在着諸多技術障礙,例如:人類如何在太空中獲取食物?我們如何處理太空垃圾?在地球上,這些問題被認爲是理所當然、不足爲奇。未來人類實現太空生活首先需要解決一個問題——我們如何記錄時間。

  記錄時間的解決方法可能很簡單,帶上手錶或者查看日曆,或者刻畫記錄每一天!目前人類唯一全時太空基地——國際空間站就是採用這種方法記錄時間,空間站工作人員按照格林威治標準時間記錄時間,通過與地球保持密切接觸,他們可以獲得最新時間校準。

  國際空間站一天可看到16次日出和日落

  但是太空殖民地保持地球時間記錄系統也存在很大挑戰,原因之一是忽略當地真實性使用一種時間記錄方式的操作難度較大,讓宇航員遵循24小時格林威治標準時間系統易於保持地面控制同步,但是以地球時間標準作爲宇航員太空睡眠作息,將嚴重影響他們每天的晝夜節律,宇航員需要克服不穩定的光線循環週期。例如:國際空間站每90分鐘環繞地球一週,所以在典型的地球24小時一天時間週期中,宇航員每天會看到16次日出和日落。

  雖然宇航員可以在太空中持續生活幾個月時間,但是宇航員在國際空間站期間存在一種非永久性,我們知道他們不會永遠在那裏。在地球之外遙遠區域建立 的太空基地可能採用地球時間系統和日曆,同時他們可能建造一個新的人類社會,隨着時間的推移,可能需要更適合他們太空生活的永久性解決方案。

  專家提出“大流士火星曆”

  天文學家、科幻作家和癡迷的天文愛好者提出了一系列建議,爲潛在的太空殖民基地建立新的計時系統。對那些夢想在太空定居生活的人來講,火星擁有特殊的吸引力,讓人們產生足夠的想象,任何定居者將在這裏長期生活,並形成獨特的生活系統。航空宇宙工程師托馬斯·岡加勒(Thomas Gangale)是“大流士火星曆”的提出者,這是一套爲了未來殖民在火星上的拓荒者而設計的新型曆法,是1985年岡加勒設計的,並以自己兒子的名字“大流士”命名。之後“大流士火星曆”多次出現在一些科幻小說中,其中包括:科幻作家哈努·拉賈涅米(Hannu Rajaniemi)撰寫的《量子小偷》、《星際迷航》系列劇中的時間調查篇章,記錄了一個調查時間旅行機構的冒險經歷。

  岡加勒說:“如果我們要將人類送到火星上定居,他們需要根據火星的自然規律來計算時間,大流士火星曆傳承了地球傳統計時方法,並且適應火星自轉和環繞太陽運行的規律。地球自轉一次是23小時56分鐘,火星自轉時間略微長一些,一個火星日是24小時40分鐘,火星日的天文學單位稱爲‘sol’。火星環日軌道長度是地球的兩倍,它環繞太陽一週相當於687個地球日,計算爲668 sols。

  我們可以將時間測量停留在sol等級上,事實上,許多火星日曆建議採用這一點。在地球上,儒略曆對每個地球日分配一個數字,從公元前4713年1月1日開始算起,作爲“0天”。這使得計算以天爲基礎的時間表變得更加簡單,就像計算食物保質期一樣。

  同樣地,火星以sol爲基礎的日曆計算方法相似,是從“0天”開始計算,岡加勒稱,或者我們可以假設任何火星曆的開始都是以1610年1月伽利略首次望遠鏡觀測到火星爲準,或者“0天”可以與火星上其他重要里程碑事件相吻合,例如:1965年7月14日“水手4號”飛船首次飛越火星,1971年11月27日“火星2號”飛船首次着陸火星。

  岡加勒說:“但是我們人類是有習慣的動物,很可能會建立一個以我們在地球上擁有一些相同價值觀和傳統爲中心的社會,很多天文學家並沒有考慮到守時的社會方面,而是更多地專注於天文學研究。從宇航員在太空生活的實際出發,如何利用時間和記錄時間是非常重要的。”

  我們很可能希望使用週數和月數記錄社會活動和社會經濟事件:假日、生日、發薪日、週末、季度投資報告、休假計劃、農業種植計劃等。岡加勒表示,他設計火星日曆的初衷偏於娛樂,想通過這種日曆計算使火星月與衛星運行保持同步,月球環繞地球運行一週需要27天時間,地球1個月平均是30天。

  火衛一環繞火星一天3次,火衛二每隔30小時環繞火星一次,火星衛星環繞其運行的時間太短暫,很難對一年的時間進行劃分。相反,在岡加勒的火星日曆中,他將一年(相當於668個地球日)分爲24個月,每個月有27或者28個火星日,每月有4個周,每個周有7天,一週中的幾天時間是以太陽系天體命名,火星月的命名使用了拉丁語和梵語,表示黃道十二宮中的星座。

  火星日和火星月的命名非常有趣,並且非常實用。通過使用不同的名稱,火星殖民者可以避免將火星和地球時間混淆。岡加勒說:“在太空建立計時系統是非常重要的,未來人類將實現太空基地與地球的貿易往來。火星星期二的太陽並非總是與地球星期二在相同時間落下,一顆星球上的1月份可能對應於另一顆星球上的3月份,就像火星上的一天被稱爲‘sol’一樣,未來的太空殖民者將會想出‘月’和‘年’的不同術語名稱,以便與地球系統完全區分開來。”

  個別太空移民可能會依據當地環境而改變自己的生活習慣,岡加勒已經對木衛一、木衛三、木衛四、木衛二和土衛六製作相應的“大流士火星曆”,這些星球可能是人類除火星之外的下一個太空前哨站。對於接近地球的太空殖民者,非贏利組織LunarClock.org倡導使用月球標準時間和月球日曆,每年由12“天”組成,這裏的“天”相對應於地球月份,每“天”以登陸月球的宇航員命名,打破了1天24小時、1個月30天的傳統地球計時方式。

  深空原子鐘每150億年計時誤差僅1秒

  其他太空殖民者必須面對一些挑戰,形成一個地球計時系統的替代方法,並且能夠真實守時。地球上的計時系統是由極其穩定的原子鐘作爲標準參照,原子鐘每150億年計時誤差僅1秒。可惜的是,原子鐘僅是冰箱一般大小。太空飛船機載計時器是使用超穩定的振盪器來計算時間,便於太空飛船規劃和執行相應操作。美國宇航局深空駕駛員吉爾·塞伯爾特(Jill Seubert)說:“它們並非真實的超級穩定,這種振盪計時器隨着時間的推移會產生誤差。”

  首個超穩定振盪器(USO)應用在上世紀70年代的“旅行者號”探測器,如今仍在人造衛星系統上使用。即使是採用地球日計時方式,這些衛星也必須重新校對,以確保GPS等技術的準確性,僅差百萬分之一秒就意味着GPS誤差可達數百米。

  目前,工程師們通過轉換地球精確時間和太空飛船的超穩定振盪器時間讀數,能夠有效解決這一問題。但是隨着我們進入更遙遠的太空區域,或者需要更多的即時操作,仍然依賴地球計時方式將變得很麻煩。如果以光速進行計算,地球至月球僅需1秒,而地球至火星則需要4分鐘至22分鐘,這主要取決於兩顆行星的相對位置,它們的相對位置會隨着軌道的變化而變化。

  塞伯爾特是美國宇航局噴氣推進實驗室工程師團隊的副首席研究員,該實驗室建造了第一個深空原子鐘。他說:“現在每一艘穿越深空的太空飛船都由宇航員駕駛,我們在地面上計算太空飛船的軌道路徑,然後上傳至太空飛船。”

  太空飛船不是依賴地球通訊系統,而是自身攜帶原子鐘,從而使它們能夠保持更精確的當地時間,反過來可計算他們自己的位置,並在沒有來自地球幫助的情況下執行太空操作。6月底,深空原子鐘搭載一枚SpaceX火箭發射升空,從8月開始,噴氣推進實驗室科學家將對這個原子鐘進行爲期1年的評估分析,以確定它的穩定性。

  計時系統是太空殖民生活必要技術之一

  此外,計時系統將是太空殖民基地必要的技術之一,它將作爲一種計時器,也起到當地GPS的作用。科幻電影經常顯示宇航員使用帶有時間記錄地圖屏幕的太空飛船,操控在月球或者火星表面。目前,還不具備相應的技術實現以上功能,但是深空原子鐘可以提供足夠精確的時間和位置,來支持實時跟蹤。

  迄今爲止,大多數太空計時系統構想都是基於地球現有技術,這可能不太現實,但也許太空移民者會利用太空環境來設計全新的計時系統。我們可以完全廢除周、月、年的計時方法,而僅僅依靠當地的時間進行計算。就像《星際迷航》中使用的星曆系統或者火星sol爲基礎的日曆系統,或者太空殖民地更徹底地將採用挪威北極小鎮索瑪若伊(Sommarøy)的計時方法,完全廢除當前計時系統,由於這裏有長達幾個月的黑夜和白天延長時期,挪威居民缺少類型的“天計時”概念,持續多年長途旅行的太空旅行者或者外星球殖民者可能會經歷類似的情景。索瑪若伊鎮居民謝爾·奧韋·赫威汀(Kjell Ove Hveding)在接受媒體記者採訪時談到了當地獨特的“計時障礙”。他說:“當地不同季節會出現黑夜延長的現象,但我們不得不按時上班,即使下班了,我們仍然要遵循時間規律進行生活。生活經驗告訴我,我們不能任性,我們個人意願無法決定天氣好壞,太陽是否晴朗,我們能做的僅是頑強地生存下來。”

  在太空中,太陽可能不會一直髮光,但是我們太空探索是建立在一個相同的基礎之上:只要能存活下來就行!(葉傾城)

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