月球时间怎么确定？为什么月球时和地球时只差 57 微秒，却不能混用？

图虫创意

“人间清暑殿，天上广寒宫”，广寒宫中今夕是何夕，是否与人间天涯共此时呢？

时间是物质世界的基本属性之一，它与三维的空间坐标一起构成了四维时空坐标系。月球上也有自己的坐标时，我们称之为月球时间（Lunar Time，LT），它与我们常说的地球时间（Terrestrial Time，TT）是不同的，这里的不同指的是秒长不同。

月球的天文常数系统与地球的天文常数系统有很大不同，例如月球质量约为地球质量的1/80,月球平均半径，约为地球半径的1/4,月球表面的重力加速度 ,约为地球重力加速度的1/6，等等。根据爱因斯坦的广义相对论和狭义相对论，引力场和坐标速度都会对时间产生影响，而月球天文常数系统和地球天文常数系统的差异导致两者的引力场与坐标速度存在较大差异。理论计算表明，同样一台标准原子钟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。对于原子钟来说，这个差异是非常显著的。

随着我国对月球进行研究、勘探、应用的各项工作不断深入，后期我国还会有更多的绕月卫星、着陆器、探测器会被发射到月球及其轨道上，最终实现在月球建立永久科研基地。月球上的固态水资源主要集中于月球的南极附近，这也是目前各个国家建设月球定居点的首选之地。这些月球设备之间的通信需要时间同步，地月之间的联合观测需要时间同步，在月球表面及其轨道上开展时空测绘同样需要高精度的月球标准时间和时间同步网络。为保障顺利地对月球开展全面的开发应用，需要建立月球时间基准和空间基准。

由于月球标准时间的秒长与地球标准时间的秒长不一样，随着时间的积累月球标准时间与地球标准时间的钟差会变得越来越大，在建立月球标准时间的过程中必须考虑这一问题。建立月球标准时间的思路主要有两个，一是在月球上放置高精度原子钟组，根据月球平均等势面时钟与地球标准时间的速率差，通过调整原子钟频率，使月球时钟的平均速率与地球标准时间的速率尽量接近，并且利用地月时间比对定期校准，以保证月球时间与地球时间同步，这就是所谓的“协调月球时”。该方案最大的优点是与地球时间的同步性好，但对地月时间比对链路的依赖性较强。二是月球时间直接由月球上自由运转的原子钟组产生，这些原子钟遵循与标准时钟一样的技术规范，即铯133最外层电子超精细能级跃迁频率的9192631770倍为1秒，并根据月球与地球的引力位、坐标速度的差异和地月时间比对结果，建立月球时与地球时的溯源关系。其优点是运行独立性强、在没有地月时间比对链路支持的情况下，仍可以支持月球卫星导航、授时。

理论计算表明，月球坐标时与地球坐标时之间既存在固定的速率偏差，还存在周期性的变化关系，如图所示。因此，并不存在一定要将月球时与地球时严格同步的要求，实际上我们需要做的是建立月球时秒长与地球时秒长的精确理论模型，并建立月地高精度时间比对链路，能准确的计算并测量出月球时与地球时的钟差即可。

本文为科普中国·创作培育计划扶持作品
作者：尹东山

审核：常宏 中国科学院国家授时中心 研究员

出品：中国科协科普部

监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司