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圖蟲(chóng)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(shí)呢？
時(shí)間是物質(zhì)世界的基本屬性之一，它與三維的空間坐標(biāo)一起構(gòu)成了四維時(shí)空坐標(biāo)系。月球上也有自己的坐標(biāo)時(shí)，我們稱之為月球時(shí)間（Lunar Time，LT），它與我們常說(shuō)的地球時(shí)間（Terrestrial Time，TT）是不同的，這里的不同指的是秒長(zhǎng)不同。
月球的天文常數(shù)系統(tǒng)與地球的天文常數(shù)系統(tǒng)有很大不同，例如月球質(zhì)量約為地球質(zhì)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(jù)愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論和狹義相對(duì)論，引力場(chǎng)和坐標(biāo)速度都會(huì)對(duì)時(shí)間產(chǎn)生影響，而月球天文常數(shù)系統(tǒng)和地球天文常數(shù)系統(tǒng)的差異導(dǎo)致兩者的引力場(chǎng)與坐標(biāo)速度存在較大差異。理論計(jì)算表明，同樣一臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)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(duì)于原子鐘來(lái)說(shuō)，這個(gè)差異是非常顯著的。
隨著我國(guó)對(duì)月球進(jìn)行研究、勘探、應(yīng)用的各項(xiàng)工作不斷深入，后期我國(guó)還會(huì)有更多的繞月衛(wèi)星、著陸器、探測(cè)器會(huì)被發(fā)射到月球及其軌道上，最終實(shí)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(gè)國(guó)家建設(shè)月球定居點(diǎn)的首選之地。這些月球設(shè)備之間的通信需要時(shí)間同步，地月之間的聯(lián)合觀測(cè)需要時(shí)間同步，在月球表面及其軌道上開(kāi)展時(shí)空測(cè)繪同樣需要高精度的月球標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間和時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)。為保障順利地對(duì)月球開(kāi)展全面的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，需要建立月球時(shí)間基準(zhǔn)和空間基準(zhǔn)。
由于月球標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的秒長(zhǎng)與地球標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的秒長(zhǎng)不一樣，隨著時(shí)間的積累月球標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間與地球標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的鐘差會(huì)變得越來(lái)越大，在建立月球標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的過(guò)程中必須考慮這一問(wèn)題。建立月球標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的思路主要有兩個(gè)，一是在月球上放置高精度原子鐘組，根據(jù)月球平均等勢(shì)面時(shí)鐘與地球標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的速率差，通過(guò)調(diào)整原子鐘頻率，使月球時(shí)鐘的平均速率與地球標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的速率盡量接近，并且利用地月時(shí)間比對(duì)定期校準(zhǔn)，以保證月球時(shí)間與地球時(shí)間同步，這就是所謂的“協(xié)調(diào)月球時(shí)”。該方案最大的優(yōu)點(diǎn)是與地球時(shí)間的同步性好，但對(duì)地月時(shí)間比對(duì)鏈路的依賴性較強(qiáng)。二是月球時(shí)間直接由月球上自由運(yùn)轉(zhuǎn)的原子鐘組產(chǎn)生，這些原子鐘遵循與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘一樣的技術(shù)規(guī)范，即銫133最外層電子超精細(xì)能級(jí)躍遷頻率的9192631770倍為1秒，并根據(jù)月球與地球的引力位、坐標(biāo)速度的差異和地月時(shí)間比對(duì)結(jié)果，建立月球時(shí)與地球時(shí)的溯源關(guān)系。其優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)行獨(dú)立性強(qiáng)、在沒(méi)有地月時(shí)間比對(duì)鏈路支持的情況下，仍可以支持月球衛(wèi)星導(dǎo)航、授時(shí)。
理論計(jì)算表明，月球坐標(biāo)時(shí)與地球坐標(biāo)時(shí)之間既存在固定的速率偏差，還存在周期性的變化關(guān)系，如圖所示。因此，并不存在一定要將月球時(shí)與地球時(shí)嚴(yán)格同步的要求，實(shí)際上我們需要做的是建立月球時(shí)秒長(zhǎng)與地球時(shí)秒長(zhǎng)的精確理論模型，并建立月地高精度時(shí)間比對(duì)鏈路，能準(zhǔn)確的計(jì)算并測(cè)量出月球時(shí)與地球時(shí)的鐘差即可。
本文為科普中國(guó)·創(chuàng)作培育計(jì)劃扶持作品
作者：尹東山
審核：常宏 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心 研究員
出品：中國(guó)科協(xié)科普部
監(jiān)制：中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司
