我们现在知道火星上的时钟会快得多

原子钟作为人类迄今打造的最精准计时工具，未来有望助力火星无人探测任务与载人任务实现相互同步，甚至能为这颗红色星球搭建类似全球定位系统（GPS）的导航网络。但正如爱因斯坦相对论所揭示的，时间流逝速率会因所处位置不同而存在差异。如今科学家已精确测算出火星时钟的运行速率 —— 平均每天比地球时钟快 477 微秒。这一发现或将为未来火星网络规避此类时间差引发的问题提供解决方案。

原子钟通过监测原子振动实现计时，其中光学原子钟借助交叉激光束捕获并监测原子，精度可达 1 阿秒（10⁻¹⁸秒）。这类时钟除基础计时功能外，更是全球定位系统等卫星导航系统的核心部件，为精准定位提供纳秒级时间同步保障。

根据广义相对论，大质量天体产生的引力会扭曲时空，引力场强度不同，时间流逝速率也不同。简单来说，行星引力越弱，其表面时钟运行就越快。火星表面重力仅约为地球的三分之一，这是火星时钟比地球快的核心原因。

火星计时与GPS技术

2024 年，美国国家标准与技术研究院（NIST）的科学家曾测算出月球时钟的运行速率 —— 月球引力约为地球的六分之一，其时钟平均每天比地球快 56.02 微秒。鉴于美国国家航空航天局（NASA）的火星探测计划，该团队进一步深入研究火星计时规律，并于 12 月 1 日在《天文杂志》在线发表相关成果。

NIST F4 是美国国家标准与技术研究院（NIST）的一款铯喷泉钟，是定义地球上一秒频率的主要标准。

“理解这些相对论效应，是人类未来迈向星际文明的重要一步。” 科罗拉多大学博尔德分校荣休物理学教授、NIST 合作研究员 Neil Ashby 表示。

科学家们利用多年火星任务收集的数据，计算了火星表面的重力强度。他们还必须考虑太阳及火星其他行星在火星偏心且拉长轨道中引力效应的变化。

虽然火星上的钟表平均每天比地球快477微秒，但这一数值在火星年中每天可增加或减少多达226微秒，具体取决于其天体邻居的影响。这种差异在协调火星任务时可能带来挑战。

“微秒级时间差对导航与通信至关重要。”NIST 理论物理学家 Bijunath Patla 强调，“当前 5G 网络需要微秒级同步，而 GPS 时钟同步精度更是达到纳秒级。”

过去的火星探测任务并未受时间差困扰，因为当时依赖的是地球与火星地面站之间的单向无线电通信，探测器之间无需相互同步。

但随着火星探测任务增多，多设备协同需求日益凸显。Bijunath Patla 指出：“若火星上部署多个探测设备，且需要相互同步并独立于地球运行，这项研究的价值便得以凸显。例如，在返回特定地点开展进一步探测或资源勘探时，精准时间同步必不可少。”

Neil Ashby 提出，应对地火时间差的一种可行方案，是在火星周围部署类 GPS 卫星星座，让火星车时钟与卫星星座时钟共享一套以火星为中心的统一系统时间。

在此方案中，火星内部时钟仅需小幅本地修正即可保持一致，该 “火星系统时间” 能实现内部自洽且基本独立于地球时间。Bijunath Patla 补充道：“仅地火通信链路需定期校准，以修正较大的星际时间偏移。” 这一成果为未来火星导航、通信与载人任务的时间同步奠定了关键理论基础。