原子鐘作為人類迄今打造的最精準計時工具，未來有望助力火星無人探測任務與載人任務實現相互同步，甚至能為這顆紅色星球搭建類似全球定位系統（GPS）的導航網絡。但正如愛因斯坦相對論所揭示的，時間流逝速率會因所處位置不同而存在差異。如今科學家已精確測算出火星時鐘的運行速率 —— 平均每天比地球時鐘快 477 微秒。這一發現或將為未來火星網絡規避此類時間差引發的問題提供解決方案。

原子鐘通過監測原子振動實現計時，其中光學原子鐘借助交叉激光束捕獲并監測原子，精度可達 1 阿秒（10?1?秒）。這類時鐘除基礎計時功能外，更是全球定位系統等衛星導航系統的核心部件，為精準定位提供納秒級時間同步保障。

根據廣義相對論，大質量天體產生的引力會扭曲時空，引力場強度不同，時間流逝速率也不同。簡單來說，行星引力越弱，其表面時鐘運行就越快?；鹦潜砻嬷亓H約為地球的三分之一，這是火星時鐘比地球快的核心原因。

火星計時與GPS技術

2024 年，美國國家標準與技術研究院（NIST）的科學家曾測算出月球時鐘的運行速率 —— 月球引力約為地球的六分之一，其時鐘平均每天比地球快 56.02 微秒。鑒于美國國家航空航天局（NASA）的火星探測計劃，該團隊進一步深入研究火星計時規律，并于 12 月 1 日在《天文雜志》在線發表相關成果。

NIST F4 是美國國家標準與技術研究院（NIST）的一款銫噴泉鐘，是定義地球上一秒頻率的主要標準。

“理解這些相對論效應，是人類未來邁向星際文明的重要一步。” 科羅拉多大學博爾德分校榮休物理學教授、NIST 合作研究員 Neil Ashby 表示。

科學家們利用多年火星任務收集的數據，計算了火星表面的重力強度。他們還必須考慮太陽及火星其他行星在火星偏心且拉長軌道中引力效應的變化。

雖然火星上的鐘表平均每天比地球快477微秒，但這一數值在火星年中每天可增加或減少多達226微秒，具體取決于其天體鄰居的影響。這種差異在協調火星任務時可能帶來挑戰。

“微秒級時間差對導航與通信至關重要?！盢IST 理論物理學家 Bijunath Patla 強調，“當前 5G 網絡需要微秒級同步，而 GPS 時鐘同步精度更是達到納秒級?！?/p>

過去的火星探測任務并未受時間差困擾，因為當時依賴的是地球與火星地面站之間的單向無線電通信，探測器之間無需相互同步。

但隨著火星探測任務增多，多設備協同需求日益凸顯。Bijunath Patla 指出：“若火星上部署多個探測設備，且需要相互同步并獨立于地球運行，這項研究的價值便得以凸顯。例如，在返回特定地點開展進一步探測或資源勘探時，精準時間同步必不可少?！?/p>

Neil Ashby 提出，應對地火時間差的一種可行方案，是在火星周圍部署類 GPS 衛星星座，讓火星車時鐘與衛星星座時鐘共享一套以火星為中心的統一系統時間。

在此方案中，火星內部時鐘僅需小幅本地修正即可保持一致，該 “火星系統時間” 能實現內部自洽且基本獨立于地球時間。Bijunath Patla 補充道：“僅地火通信鏈路需定期校準，以修正較大的星際時間偏移?！?這一成果為未來火星導航、通信與載人任務的時間同步奠定了關鍵理論基礎。