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圖蟲創(chuàng)意
“人間清暑殿，天上廣寒宮”，廣寒宮中今夕是何夕，是否與人間天涯共此時呢？
時間是物質世界的基本屬性之一，它與三維的空間坐標一起構成了四維時空坐標系。月球上也有自己的坐標時，我們稱之為月球時間（Lunar Time，LT），它與我們常說的地球時間（Terrestrial Time，TT）是不同的，這里的不同指的是秒長不同。
月球的天文常數系統(tǒng)與地球的天文常數系統(tǒng)有很大不同，例如月球質量約為地球質量的1/80,月球平均半徑，約為地球半徑的1/4,月球表面的重力加速度 ,約為地球重力加速度的1/6，等等。根據愛因斯坦的廣義相對論和狹義相對論，引力場和坐標速度都會對時間產生影響，而月球天文常數系統(tǒng)和地球天文常數系統(tǒng)的差異導致兩者的引力場與坐標速度存在較大差異。理論計算表明，同樣一臺標準原子鐘放在月球上比放在地球上每天快57微秒，也就是每50年快1秒。對于原子鐘來說，這個差異是非常顯著的。
隨著我國對月球進行研究、勘探、應用的各項工作不斷深入，后期我國還會有更多的繞月衛(wèi)星、著陸器、探測器會被發(fā)射到月球及其軌道上，最終實現(xiàn)在月球建立永久科研基地。月球上的固態(tài)水資源主要集中于月球的南極附近，這也是目前各個國家建設月球定居點的首選之地。這些月球設備之間的通信需要時間同步，地月之間的聯(lián)合觀測需要時間同步，在月球表面及其軌道上開展時空測繪同樣需要高精度的月球標準時間和時間同步網絡。為保障順利地對月球開展全面的開發(fā)應用，需要建立月球時間基準和空間基準。
由于月球標準時間的秒長與地球標準時間的秒長不一樣，隨著時間的積累月球標準時間與地球標準時間的鐘差會變得越來越大，在建立月球標準時間的過程中必須考慮這一問題。建立月球標準時間的思路主要有兩個，一是在月球上放置高精度原子鐘組，根據月球平均等勢面時鐘與地球標準時間的速率差，通過調整原子鐘頻率，使月球時鐘的平均速率與地球標準時間的速率盡量接近，并且利用地月時間比對定期校準，以保證月球時間與地球時間同步，這就是所謂的“協(xié)調月球時”。該方案最大的優(yōu)點是與地球時間的同步性好，但對地月時間比對鏈路的依賴性較強。二是月球時間直接由月球上自由運轉的原子鐘組產生，這些原子鐘遵循與標準時鐘一樣的技術規(guī)范，即銫133最外層電子超精細能級躍遷頻率的9192631770倍為1秒，并根據月球與地球的引力位、坐標速度的差異和地月時間比對結果，建立月球時與地球時的溯源關系。其優(yōu)點是運行獨立性強、在沒有地月時間比對鏈路支持的情況下，仍可以支持月球衛(wèi)星導航、授時。
理論計算表明，月球坐標時與地球坐標時之間既存在固定的速率偏差，還存在周期性的變化關系，如圖所示。因此，并不存在一定要將月球時與地球時嚴格同步的要求，實際上我們需要做的是建立月球時秒長與地球時秒長的精確理論模型，并建立月地高精度時間比對鏈路，能準確的計算并測量出月球時與地球時的鐘差即可。
本文為科普中國·創(chuàng)作培育計劃扶持作品
作者：尹東山
審核：常宏 中國科學院國家授時中心 研究員
出品：中國科協(xié)科普部
監(jiān)制：中國科學技術出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司
