تحديات ضبط الوقت على القمر: مقياس زمني جديد ومستوطنات فضائية

لعل أعظم غرابة في كوننا هي المشكلة المتأصلة في ضبط الوقت: تمر الثواني أسرع قليلاً من أي وقت مضى على قمة جبل مما هي عليه في وديان الأرض.

ولأغراض عملية، ليس على معظم الناس أن يقلقوا بشأن هذه الاختلافات.

لكن سباق الفضاء المتجدد جعل الولايات المتحدة وحلفاءها، وكذلك الصين، يندفعون لإنشاء مستوطنات دائمة على سطح القمر، وهذا ما جعل خصوصيات الزمن، مرة أخرى، في المقدمة.

فعلى سطح القمر، سيكون اليوم الواحد على سطح القمر أقصر بحوالي 56 ميكروثانية من يوم الأرض على كوكبنا الأم - وهو رقم ضئيل يمكن أن يؤدي إلى تضارب كبير مع مرور الوقت.

تتصارع ناسا وشركاؤها الدوليون حالياً مع هذه المعضلة.

لا يتطلع العلماء فقط إلى إنشاء "منطقة زمنية" جديدة على القمر، كما أشارت بعض العناوين الرئيسية، كما قالت شيريل جراملينج، مسؤولة تحديد المواقع والملاحة والتوقيت والمعايير على القمر في مركز غودارد لرحلات الفضاء التابع لناسا في ولاية ماريلاند. وبدلاً من ذلك، تتطلع وكالة الفضاء وشركاؤها إلى إنشاء "مقياس زمني" جديد تماماً، أو نظام قياس جديد كلياً يأخذ في الحسبان حقيقة أن الثواني تمر بسرعة أكبر على القمر، كما أشارت غراملينغ**.

وهدف الوكالة هو العمل مع شركاء دوليين لوضع طريقة جديدة لتتبع الزمن، خاصة بالقمر، تتفق الدول التي ترتاد الفضاء على مراقبتها.

كما وجهت مذكرة صدرت مؤخراً من البيت الأبيض وكالة ناسا إلى وضع خططها لهذا المقياس الزمني الجديد بحلول 31 ديسمبر/كانون الأول، واصفة إياه بـ"الأساسي" لتجديد جهود الولايات المتحدة لاستكشاف سطح القمر. وتطلب المذكرة أيضاً أن تطبق ناسا مثل هذا النظام بحلول نهاية عام 2026، وهو نفس العام الذي تهدف فيه وكالة الفضاء إلى إعادة رواد الفضاء إلى القمر لأول مرة منذ خمسة عقود.

وقد تكون الأشهر المقبلة حاسمة بالنسبة للخبراء في مجال ضبط الوقت في العالم لمعرفة كيفية الحفاظ على التوقيت القمري بدقة - والتوصل إلى اتفاقات حول كيفية وضع الساعات على القمر ومتى وأين يمكن وضعها على القمر.

وقال جرامينج لشبكة CNN إن مثل هذا الإطار سيكون حاسماً بالنسبة للبشر الذين يزورون أقرب جار سماوي لنا.

وقالت إن رواد الفضاء على سطح القمر، على سبيل المثال، سيغادرون مساكنهم لاستكشاف السطح وإجراء تحقيقات علمية. كما أنهم سيتواصلون مع بعضهم البعض أو يقودون عرباتهم على سطح القمر أثناء وجودهم على سطح القمر.

قالت جرامينج: "عندما يتنقلون بالنسبة للقمر"، "يجب أن يكون الوقت بالنسبة للقمر."

تشير الساعات الشمسية البسيطة أو التشكيلات الحجرية التي تتبع الظلال أثناء مرور الشمس فوق رؤوسنا، إلى تقدم اليوم تماماً كما يمكن لمراحل القمر المتغيرة أن تسجل مرور شهر على الأرض. وقد حافظت هذه الساعات الشمسية الطبيعية على التزام البشر بمواعيدهم لآلاف السنين.

ولكن ربما منذ أن اكتسبت الساعات الميكانيكية زخمًا في أوائل القرن الرابع عشر، أصبح صانعو الساعات أكثر حرصًا على الدقة.

كما ازدادت دقة قياس الثواني تعقيدًا في أوائل القرن العشرين بفضل ألبرت أينشتاين، الفيزيائي الألماني المولد الذي هز المجتمع العلمي بنظرياته عن النسبية الخاصة والعامة.

قال الدكتور بروس بيتس، كبير العلماء في جمعية الكواكب، وهي مجموعة غير ربحية مهتمة بالفضاء: "تبًا لأينشتاين - لقد توصل إلى النسبية العامة، وقد نتج عنها العديد من الأشياء الغريبة". "أحدها هو أن الجاذبية تبطئ الزمن."

النسبية العامة معقدة، ولكن بشكل عام، هي إطار عمل يشرح كيف تؤثر الجاذبية على المكان والزمان.

تخيل أن نظامنا الشمسي عبارة عن قطعة قماش معلقة في الهواء. هذا النسيج هو المكان والزمان نفسه، وهما - وفقًا لنظريات أينشتاين - مرتبطان ارتباطًا وثيقًا. وكل جرم سماوي داخل النظام الشمسي، من الشمس إلى الكواكب، يشبه كرة ثقيلة تجلس فوق النسيج. وكلما كانت الكرة أثقل، كلما أحدثت فجوة أعمق، مما يؤدي إلى تشويه المكان والزمان.

حتى فكرة "الثانية" الأرضية هي مفهوم من صنع الإنسان يصعب قياسه. ونظرية النسبية العامة لأينشتاين هي التي فسرت لماذا يمر الوقت ببطء أكثر قليلاً في الارتفاعات المنخفضة - لأن الجاذبية لها تأثير أقوى بالقرب من جسم ضخم (مثل كوكبنا الأم).

وقد وجد العلماء حلاً حديثاً لجميع تعقيدات النسبية في ضبط الوقت على الأرض: لحساب الاختلافات غير المحسوسة، قاموا بإعداد بضع مئات من الساعات الذرية في مواقع مختلفة في جميع أنحاء العالم. والساعات الذرية هي أدوات فائقة الدقة تستخدم اهتزاز الذرات لقياس مرور الوقت، وهذه الساعات - تماشياً مع نظريات أينشتاين - تدق أبطأ كلما كانت أقرب إلى سطح الأرض.

يمكن حساب متوسط قراءات الساعات الذرية في جميع أنحاء العالم للحصول على متوسط واسع ودقيق قدر الإمكان للوقت لكوكب الأرض ككل، مما يعطينا التوقيت العالمي المنسق، أو UTC. ومع ذلك، تُؤخذ "الثواني الكبيسة" في الحسبان من حين لآخر للحفاظ على توافق التوقيت العالمي المنسق (UTC) مع التغيرات الطفيفة في سرعة دوران الأرض.

قال كيفين كوجينز، نائب المدير المساعد ومدير برنامج ناسا للاتصالات الفضائية والملاحة في ناسا، إن هذا الحفظ المنهجي للوقت يساعد على جعل العالم الحديث يدور - من الناحية المجازية.

"إذا بحثت عن الوقت على الأرض، ستدرك أنه العامل الحاسم في كل شيء: الاقتصاد، والأمن الغذائي، والتجارة، والمجتمع المالي، وحتى التنقيب عن النفط. فهم يستخدمون ساعات دقيقة". "إنها في كل شيء مهم في المجتمع الحديث."

إذا كان الزمن يتحرك بشكل مختلف على قمم الجبال عنه على شواطئ المحيط، فيمكنك أن تتخيل أن الأمور تزداد غرابة كلما ابتعدت عن الأرض.

لإضافة المزيد من التعقيد: يمر الوقت أيضًا بشكل أبطأ كلما تحرك الإنسان أو المركبة الفضائية بشكل أسرع، وفقًا لنظرية النسبية الخاصة لأينشتاين.

قال الدكتور بيجوناث باتلا، عالم الفيزياء النظرية في المعهد الوطني الأمريكي للمعايير والتكنولوجيا، في مقابلة عبر الهاتف، إن رواد الفضاء في محطة الفضاء الدولية على سبيل المثال محظوظون. وقال باتلا إنه على الرغم من أن المحطة الفضائية تدور حول الأرض على ارتفاع حوالي 200 ميل (322 كيلومتراً) فوق سطح الأرض، إلا أنها تتحرك أيضاً بسرعات عالية - حيث تدور حول الكوكب 16 مرة في اليوم الواحد - لذا فإن تأثيرات النسبية تلغي بعضها البعض إلى حد ما. ولهذا السبب، يمكن لرواد الفضاء على متن المختبر المداري استخدام التوقيت الأرضي بسهولة للبقاء في الموعد المحدد.

بالنسبة للبعثات الأخرى - الأمر ليس بهذه البساطة.

لحسن الحظ، لدى العلماء بالفعل عقود من الخبرة في التعامل مع التعقيدات.

قال جراملينج إن المركبات الفضائية، على سبيل المثال، مزودة بساعات خاصة بها تسمى المذبذبات.

وقال جراملينج: "إنها تحافظ على توقيتها الخاص بها". "ومعظم عملياتنا الخاصة بالمركبات الفضائية - حتى المركبات الفضائية التي تبعد كل هذه المسافة إلى بلوتو أو حزام كويبر مثل نيو هورايزونز - (تعتمد على) محطات أرضية موجودة على الأرض. لذا يجب أن يرتبط كل ما يفعلونه بالتوقيت العالمي المنسق."

لكن هذه المركبات الفضائية تعتمد أيضاً على التوقيت المحفوظ الخاص بها، كما قال جرامينج. وأضافت أن المركبات التي تستكشف في أعماق النظام الشمسي، على سبيل المثال، يجب أن تعرف - استناداً إلى مقياسها الزمني الخاص بها - متى تقترب من كوكب ما في حال احتاجت المركبة الفضائية إلى استخدام ذلك الجسم الكوكبي لأغراض ملاحية.

وعلى مدى 50 عاماً، تمكن العلماء أيضاً من مراقبة الساعات الذرية الموضوعة على متن الأقمار الصناعية لنظام تحديد المواقع العالمي لتحديد المواقع، التي تدور حول الأرض على بعد حوالي 12550 ميلاً (20200 كيلومتر) - أو حوالي واحد على تسعة عشر من المسافة بين كوكبنا والقمر.

وقال باتلا إن دراسة تلك الساعات أعطت العلماء نقطة انطلاق رائعة للبدء في استقراء المزيد من المعلومات أثناء شروعهم في إنشاء مقياس زمني جديد للقمر.

وقال باتلا: "يمكننا بسهولة مقارنة ساعات (النظام العالمي لتحديد المواقع) بالساعات الموجودة على الأرض"، مضيفاً أن العلماء وجدوا طريقة لإبطاء ساعات النظام العالمي لتحديد المواقع بلطف، مما يجعلها أكثر تماشياً مع الساعات الموجودة على الأرض. "من الواضح أن الأمر ليس سهلاً كما يبدو، ولكنه أسهل من إحداث فوضى."

لكن بالنسبة للقمر، من المرجح ألا يسعى العلماء إلى إبطاء الساعات. فهم يأملون في قياس الوقت القمري بدقة كما هو - مع ضمان إمكانية ربطه بالتوقيت الأرضي في الوقت نفسه، وفقاً لباتلا، الذي شارك مؤخراً في تأليف ورقة بحثية توضح بالتفصيل إطار عمل للتوقيت القمري.

كما حاولت الدراسة، للعلم، تحديد المسافة بين توقيت القمر وتوقيت الأرض بالضبط، حيث تراوحت التقديرات بين 56 و 59 ميكروثانية في اليوم الواحد.

ووفقاً للورقة، فإن الساعات على خط استواء القمر ستدق 56.02 ميكروثانية في اليوم الواحد أسرع من الساعات على خط استواء الأرض.

ما يعرفه العلماء على وجه اليقين هو أنهم بحاجة إلى توصيل أجهزة ضبط الوقت بدقة إلى القمر.

وقال جرامينج إن من سيدفع تكاليف الساعات القمرية بالضبط، ونوع الساعات التي ستذهب إلى القمر، ونوع الساعات التي ستذهب إلى القمر، والمكان الذي ستوضع فيه، كلها أسئلة لا تزال معلقة في الهواء.

وقالت: "علينا أن نعمل على حل كل ذلك". "لا أعتقد أننا نعرف بعد. أعتقد أنه سيكون مزيجًا من عدة أشياء مختلفة."

وأشارت جرامينج إلى أن الساعات الذرية رائعة للاستقرار على المدى الطويل، وتتمتع المذبذبات البلورية بميزة الاستقرار على المدى القصير.

وأضاف جراملينج: "أنت لا تثق أبدًا في ساعة واحدة". "ولا تثق أبدًا في ساعتين."

يمكن وضع ساعات من أنواع مختلفة من الساعات داخل الأقمار الصناعية التي تدور حول القمر أو ربما في المواقع الدقيقة على سطح القمر التي سيزورها رواد الفضاء يوماً ما.

أما بالنسبة للسعر، فإن الساعة الذرية الجديرة بالسفر إلى الفضاء قد تكلف حوالي بضعة ملايين من الدولارات، وفقاً لجراملينج، مع وجود مذبذبات بلورية أرخص بكثير.

ولكن، كما قال باتلا، ستحصل على ما تدفعه مقابل ذلك.

وأضاف قائلاً: "قد تكون المذبذبات الرخيصة جداً متأخرة بملي ثانية أو حتى 10 أجزاء من الثانية". "وهذا أمر مهم لأنه لأغراض الملاحة - نحتاج إلى أن تكون الساعات متزامنة مع 10 من النانو ثانية."

يمكن لشبكة من الساعات على القمر أن تعمل بشكل متناسق لإبلاغ المقياس الزمني القمري الجديد، تماماً كما تفعل الساعات الذرية للتوقيت العالمي المنسق على الأرض.

(وأضاف غراملينغ أنه لن تكون هناك مناطق زمنية مختلفة على القمر. وقالت: "كانت هناك محادثات حول إنشاء مناطق زمنية مختلفة، وكان الجواب: "لا". "لكن ذلك قد يتغير في المستقبل").

سيدعم المقياس الزمني الجديد شبكة قمرية كاملة، والتي أطلقت عليها ناسا وحلفاؤها اسم LunaNet.

وقالت جرامينج: "يمكنك التفكير في لونا نت مثل الإنترنت - أو الإنترنت ونظام الأقمار الصناعية للملاحة العالمية مجتمعة". إنه "إطار من المعايير التي سيتبعها المساهمون في لونا نت (مثل ناسا أو وكالة الفضاء الأوروبية)."

وأضاف جراملينج: "ويمكنك أن تفكر في المساهمين ربما كمزود خدمة الإنترنت".

إن إنشاء مثل هذا الإطار يعني جلب الكثير من الناس من جميع أنحاء العالم إلى طاولة المفاوضات. وقال جراملينج إن المحادثات مع الشركاء الأمريكيين حتى الآن كانت "إيجابية للغاية".

ليس من الواضح ما إذا كانت ناسا وشركاؤها في هذا الجهد، بما في ذلك وكالة الفضاء الأوروبية، سيحصلون على موافقة الدول التي ليست من بين حلفاء الولايات المتحدة، مثل الصين. وأشار جرامينج إلى أن هذه المحادثات ستجري من خلال هيئات دولية لوضع المعايير، مثل الاتحاد الفلكي الدولي.

"عقلية مختلفة تمامًا

الساعة الدقيقة هي مسألة واحدة. ولكن كيف سيختبر رواد الفضاء المستقبليون الذين سيعيشون ويعملون على سطح القمر في المستقبل الوقت مسألة مختلفة تماماً.

على الأرض، فإن إحساسنا باليوم الواحد محكوم بحقيقة أن الكوكب يكمل دورة واحدة كل 24 ساعة، مما يعطي معظم المواقع دورة ثابتة من ضوء النهار والليل المظلم. لكن على القمر، يتلقى خط الاستواء على سطح القمر 14 يومًا تقريبًا من ضوء الشمس يليها 14 يومًا من الظلام.

وقال بيتس: "إنه مفهوم مختلف جداً جداً" على القمر. "وتتحدث (ناسا) عن هبوط رواد الفضاء في المنطقة القطبية الجنوبية (من القمر) المثيرة للاهتمام للغاية، حيث توجد مناطق مضاءة بشكل دائم ومناطق مظللة بشكل دائم. لذا، هذه مجموعة أخرى كاملة من الارتباك."

وأضاف بيتس: "سيكون الأمر صعباً" بالنسبة لرواد الفضاء هؤلاء. "فالأمر مختلف تماماً عن الأرض، وهي طريقة تفكير مختلفة تماماً."

سيكون ذلك صحيحاً بغض النظر عن الوقت المعروض على ساعات رواد الفضاء.

ومع ذلك، فإن ضبط الوقت بدقة مهم - ليس فقط من أجل الفهم العلمي لمرور الوقت على القمر من الناحية العلمية، ولكن أيضاً من أجل إعداد البنية التحتية اللازمة لتنفيذ المهام.

وقال جرامينج إن الجميل في إنشاء مقياس زمني من الصفر هو أن العلماء يمكنهم أخذ كل ما تعلموه عن ضبط الوقت على الأرض وتطبيقه على نظام جديد على القمر.

وأضافت أن العلماء إذا تمكنوا من تطبيقه بشكل صحيح على القمر، فيمكنهم تطبيقه بشكل صحيح في وقت لاحق إذا حققت ناسا هدفها المتمثل في إرسال رواد الفضاء إلى عمق النظام الشمسي.

وقالت جرامينج: "نحن نتطلع إلى حد كبير إلى تنفيذ ذلك على القمر، وتعلم ما يمكننا تعلمه"، "حتى نكون مستعدين للقيام بنفس الشيء على المريخ أو أي أجسام أخرى في المستقبل."