月球上會有時區嗎？？

當人類開始探索月球和更遠的太空、更多人在太空中待更久的時間時，「對表」就變得越來越重要，也越來越困難了。2024年4月2日，白宮發佈了一個消息，將要制訂「月球協調時間」（Coordinated Lunar Time，簡稱 LTC）。

這個麻煩不是因為許多科幻小說提到過的：

「宇宙中每個星球自轉、公轉的時間都不一樣，為什麼大家都要『一年365天、一天24小時』？」

而是更深層的物理問題。

根據愛因斯坦的相對論，時間並不是「絕對」的。在不同的重力下、或是運動速度不同，「時間流動的速度」也會發生變化。狹義相對論告訴我們，速度快的人時間過得比較慢；而廣義相對論則指出，在重力比較小的地方，時間過得比較快。如果有一對雙胞胎，一個住在101大樓的頂樓足不出戶，另一個整天在地面上高速飆車的話，過了一段時間之後，頂樓的阿宅會比地上的飆仔老一點點。

你可能會覺得哪有這種事，唬爛！

這是因為頂樓的重力雖然地面大一點，可是差異微乎其微；而飆車速度再怎麼快，比起光速來也不值一提，因此在我們的日常生活中，這兩個相對論效應造成的時間流動差異，都小到可以忽略。所以我們在地球上跟朋友約時間「一小時後見！」你的一小時跟對方的一小時幾乎沒差，完全不會造成問題。

不過牽涉到太空旅行時可就不一樣了。

月球表面的引力比地球表面小，因此在月球上，時間會比在地球上流逝得更快。廣義相對論會讓月球上的時鐘每過一個地球日(24小時)，就會比地球上的時鐘快大約57微秒（1微秒=一百萬分之一秒）。

另一方面，月球繞地球公轉，速度約為每秒1.022公里。在這樣的速度下，狹義相對論會讓月球上的時鐘每過一個地球日，會比地球上的時鐘慢大約0.52微秒。

綜合兩者，月球上的時鐘每地球日大約會比地球上的時鐘快56微秒。雖然這個時間差看起來還是很小，不過久了以後，還是會逐漸累積，以這個速度，經過地球時間100年後，月球上的時鐘會比地球快了約2秒。

這樣的差距，即使是我們搬到月球去住，在有生之年裡，累積的差異也是很少，就算是移民月球的「月球人」要跟地球人約時間：「哈囉，一小時後Google Meet 一下」，也不會是什麼問題，畢竟由於地球跟月球之間的距離，通訊時就會差一秒多了，相對論效應引起的「時間流速不一樣」相對小很多。

但是既然我們已經上太空生活，經常要進行高速航行，對於定位、導航、通信和科學實驗等需要高度精確定時的應用來說，這個效應是不能忽視的。例如在導航與定位中，相對論效應是一定要修正的，我們現在使用的GPS系統，就已經引入了相對論效應的修正，因為如果沒有考慮進來的話，定位會出現數公尺的誤差。在太空生活中，由於速度更快、重力大小的差更大，不做相對論效應修正的話，定位一偏就是數十、數百公尺，太空航行就很容易發生意外了。

要移民太空，人類會更仰賴高精度的科學儀器，要維持正常的生活，即使是非常微小的物理量修正都不得不考慮。這就是白宮提出制訂LTC的原因。

2024/04/02，白宮科技政策辦公室（OSTP, Office of Science and Technology Policy）最近發布了美國政府「關於地球以外天體及其周圍時間標準」的政策備忘錄，這份備忘錄建立在拜登政府的「國家地月空間科技戰略」（National Cislunar S&T Strategy）之上。

要建立LTC，需要在月球各地建置高精度的原子鐘，並透過複雜的演算法與地球上的協調世界時間（UTC，Coordinated Universal Time）保持同步。UTC是目前在地球上全球使用的調節時鐘和時間的主要時間標準。

根據這項新政策，NASA將與商務部、國防部、國務院和運輸部合作，最遲在2026年12月31日提出LTC的實施策略。

隨著人類的腳步不斷向外太空邁進，建立統一的、高精度的時間標準將變得越來越重要。月球是離地球最近的天體，也將會是人類踏入宇宙的前線基地，所以先從標準月球時間開始，以後可能會有越來越多的「宇宙時間」。可以預見，在太空移民時代，移民者對時間的概念將會跟現在的地球人完全不同，相對論的時間概念會變成「基本的生活常識」。

隨著人類在太空活動的領域越來越廣大，以後的手錶（或任何報時裝置）都越來越難做了…

結論就是：大家趕快來讀相對論吧！

超中二物理宅雜記 話都給我說就好 其之427

文章轉載自「東海大學應用物理系」

發佈於20240412