谁在定义世界的时间？
柏林亚历山大广场的世界钟（Weltzeituhr）。摄影：Diego Delso，delso.photo，许可协议 CC BY-SA 4.0（经裁剪）。
我们照着手机对表，手机照着网络对时，而网络又照着……究竟是谁呢？没有谁能独自“掌管”时间。存在的是一个由实验室、卫星和条约构成的国际体系——它值得我们深入了解，对以测量时间为业的人来说尤其如此。
从太阳到原子
几千年来，时间一直是地方性的事务：太阳经过当地子午线的那一刻就是正午，里斯本和波尔图之间相差约两分钟。铁路和电报使这种状况难以为继。1884年，在华盛顿召开的国际子午线会议汇集了25个国家，选定格林尼治为本初子午线；格林尼治平均时（GMT）从此成为世界的基准。
这一基准依然是由天文学家测量的地球自转。时钟只是在两次观测之间看守时间：先是惠更斯的摆（1656年），后来是石英（1927年），它规律到开始揭示地球自身的不规则。1955年，Louis Essen 和 Jack Parry 在英国的 NPL 实验室让第一台可靠的铯钟投入运行。从那时起，标准不再在天上。
克里斯蒂安·惠更斯（1629–1695），摆钟和摆轮游丝的发明者。Caspar Netscher 绘，1671年。图片：Wikimedia Commons（公有领域）。
秒：9 192 631 770 次振荡
1960年以前，秒是平太阳日的 1/86 400。那一年，它改为1900年这一年的一个分数——即“历书秒”，更稳定，却无法在日常中测量。1967年，国际计量大会（CGPM）采用了原子定义：秒是铯-133超精细跃迁辐射的 9 192 631 770 个周期的持续时间。在2019年国际单位制的修订中，表述有所改变——改为固定频率的数值——但数字不变。
这个数字并非随意而定：它是在1955年至1958年间测得的，目的是让原子秒与历书秒一致，而历书秒反映的又是1820年前后一天的长度。此后地球慢了下来，如今实际的一天比 86 400 个原子秒多出一到两毫秒。闰秒问题正是由这微小的差异而来。
当今最好的铯钟是“喷泉”钟：一小团被激光冷却到接近绝对零度的原子被向上抛出一米，在上升和下落时两次穿过微波腔。调节微波频率，直到改变状态的原子数量最多；这个频率就是秒。一台铯喷泉钟在一亿多年里的偏差不到一秒。
NIST-F2，美国 NIST 的铯喷泉钟，校准世界时间的基准钟之一。图片：NIST / Wikimedia Commons（公有领域）。
TAI：一台纸做的钟
有了定义明确的秒还不够：还必须不间断地、以人人认可的方式去数它。这项任务落在 BIPM（Bureau International des Poids et Mesures，国际计量局）身上，它依据1875年的《米制公约》设立，总部位于巴黎近郊的塞夫尔。
塞夫尔的布勒特伊宫（Pavillon de Breteuil），Bureau International des Poids et Mesures 总部所在地。图片：Wikimedia Commons。
BIPM 没有一台母钟。它有的是约450台原子钟的数据，这些钟由世界各地约80个实验室维持。
各实验室通过导航卫星和通信卫星双向链路相互比对各自的时钟，并把结果送往塞夫尔。BIPM 计算出一个加权平均值——每台钟按其稳定度计权，并设有上限，以免任何一台占据主导——再用基准钟即铯喷泉钟的测量结果修正这个平均值的速率。得到的就是国际原子时（TAI），自1958年1月1日起不间断地计数至今。
因此，TAI 是一台“纸面时钟”：没有任何表盘显示它，只有算完之后才能知道。在实时层面，每个实验室维持着自己的近似值，称为 UTC(k)——德国的 UTC(PTB)、美国的 UTC(NIST)、葡萄牙的 UTC(IPQ)。BIPM 每月发布 Circular T，以每五天一个数值公布各家偏离基准多少；一种快速解 UTCr 则每周发布。最好的实验室能保持在几纳秒以内。
还得把爱因斯坦考虑进去。引力越弱的地方，时间走得越快：海拔每升高一米，时钟大约快 10¹⁶ 分之一。位于科罗拉多州博尔德、海拔1600米的一台钟，比海边一台相同的钟走得快，快到可以测量出来，因此所有贡献给 TAI 的数据都要修正到平均海平面。
UTC：民用时间
TAI 不理会地球。我们使用的时间 UTC（协调世界时），是为了跟上地球自转而以整秒调整过的 TAI。它以现在的形式存在始于1972年1月1日，起步时相差10秒；如今是37秒。这个缩写是英语（CUT）和法语（TUC）之间的折中。GMT 作为时区名称保留了下来；它在科学上的继承者是 UT1，即由地球实际指向给出的时间。
此后各国自行选择相对于 UTC 的偏移。时区从 UTC−12 到 UTC+14，本应横跨五个时区的中国只用一个。总共有近四十种地方时间在施行，因为并非所有时间与 UTC 都相差整数小时。
印度和斯里兰卡使用 UTC+5:30；伊朗使用 UTC+3:30；阿富汗使用 UTC+4:30；缅甸使用 UTC+6:30；澳大利亚中部使用 UTC+9:30；加拿大的纽芬兰使用 UTC−3:30。还有45分钟的偏移：尼泊尔（UTC+5:45）和新西兰的查塔姆群岛（UTC+12:45）。
原因有三类。地理原因：当一个国家的中心恰好位于两个时区之间时，半小时的偏移能让时钟更接近太阳。印度没有分成两个时区，而是选择了东经82.5°的子午线；伊朗则采用靠近德黑兰的子午线。历史原因：纽芬兰还是独立于加拿大的自治领时，就已采用其首府的太阳时，并沿用至今。政治原因：尼泊尔以加德满都以东一座山的子午线定时，因而与印度相差15分钟；委内瑞拉在2007年把时钟拨慢半小时，又在2016年取消了这一做法；朝鲜在2015年设立了比首尔慢半小时的“平壤时间”，并于2018年放弃。
世界各时区，全部以 UTC 为基准定义。图片：CIA World Factbook / Wikimedia Commons（公有领域）。
并非所有系统都跟随 UTC。GPS 卫星的时间在1980年设定之后从未加入过闰秒：如今它快了18秒，换算由接收机完成。
地球，一台不完美的钟
从长期看，地球在变慢：月球引起的潮汐摩擦使一天每世纪延长约两毫秒。从短期看，它无法预测。液态地核、风、洋流和冰的消融使质量重新分布，改变自转速度；2011年的日本地震使一天缩短了1.8微秒。
如果不加修正，几千年之后，时钟上的正午将不再与太阳当顶的时刻重合。
地球，最初的——也是不完美的——时钟。“The Blue Marble”，1972年由阿波罗17号机组拍摄。图片：NASA / Wikimedia Commons（公有领域）。
监视地球自转的是自1988年起运作的 IERS（International Earth Rotation and Reference Systems Service）。它用对准遥远类星体的射电望远镜、射向卫星和月球的激光以及卫星导航网络来测量地球的指向。现行规则要求 UTC 与 UT1 之差保持在0.9秒以内。当接近这一限度时，IERS 会提前六个月宣布一个闰秒：6月30日或12月31日的最后一分钟变为61秒。这种情况已发生27次，最近一次是在2016年12月31日，而且已经确认2026年底不会有闰秒。
23:59:60——闰秒这一罕见的瞬间。图片：Wikimedia Commons。
闰秒的终结
只提前半年通知、长期又无法预测的61秒的一分钟，是软件的噩梦。2012年，它让一些网站和一家航空公司的值机系统瘫痪；2017年，它影响了互联网最大的内容分发网络之一。大型科技公司开始把多出的一秒“摊薄”到数小时之中，而且各有各的做法——这意味着在那些日子里，同时流通着几种略有不同的时间。
与此同时，地球让所有人措手不及：自2020年以来它转得更快了，并在2024年7月创下纪录，当时有一天比 86 400 秒短了1.66毫秒。如果这一趋势持续下去，就需要一个负闰秒——59秒的一分钟——这是从未实施也从未测试过的事情。BIPM 估计，到2035年之前发生这种情况的概率约为30 %。
2022年，CGPM 决定在2035年之前放宽 UT1 与 UTC 之间的容许差。现在这一时间表提前了：定于2026年10月13日至15日在凡尔赛举行的第28届 CGPM 将表决一项提案，把最大差值定为3600秒——即一小时——并规定自2027年5月20日起实行连续的 UTC。如果获得通过，几个世纪之内将不再有闰秒，民用时间也将第一次不再与地球的运动绑在一起。
下一个秒——以及月球的时间
铯的继任者已经在望。光钟使用锶或镱原子，它们以可见光的频率振荡——数百太赫兹，比铯高出数万倍——把时间切分得精细得多。最好的光钟不确定度达到 10¹⁸ 分之一：在宇宙的整个年龄里也不会差一秒，并且对一厘米的高度差都很敏感。同一届十月的大会还将讨论重新定义秒的路线图，正式提案预计在2030年提出。
议程上还有一项为月球建立参考时间尺度的议题。由于引力较弱，月球表面的时钟相对于地球上的时钟每天快约56微秒——对宇航员来说无关紧要，对导航系统来说却至关重要。
时间如何来到手腕上
卫星。每颗 GPS 或 Galileo 卫星都载有原子钟并播发自己的时间。一纳秒的误差相当于位置上的30厘米，因此普通接收机的同步精度优于一微秒。
长波无线电。德国的 DCF77 发射台（77.5 kHz，法兰克福附近）为半径约2000公里范围内的欧洲“电波钟”对时，葡萄牙正处在这一范围的边缘。英国、美国和日本也有类似的发射台。
互联网。诞生于1985年的 NTP 协议，从连接原子钟的服务器出发，逐级同步计算机和手机，误差在毫秒量级。
光纤。实验室、证券交易所和电信运营商使用专用链路，精度优于一微秒。
许多事情都在不知不觉中依赖于此：移动网络、电网、导航。在欧盟，高频交易平台必须为每一笔订单打上时间戳，相对于 UTC 的最大偏差不得超过100微秒。
那么在葡萄牙呢？
法定时间由各国自行决定，但这一决定归根结底只是选择相对于 UTC 的偏移和换时的日期——后者在欧洲层面是统一的。
葡萄牙并不确定世界的时间基准：它是以国际上确立的 UTC 为基础来规定自己的法定时间。
情况并非一向如此。直到1911年底，法定时间一直以里斯本天文台（Observatório Astronómico de Lisboa）的子午线为准，比格林尼治慢36分44秒；1912年1月1日，全国的时钟被拨快了这么多。夏令时始于1916年。葡萄牙曾两度——1966年至1976年以及1992年至1996年——改用欧洲中部时间，又两度改了回来，因为在那些冬天里，太阳九点以后才升起。自1996年以来，本土和马德拉冬季使用 UTC，夏季使用 UTC+1；亚速尔群岛则慢一小时。换时在三月和十月的最后一个星期日进行，而2018年提出的取消换时的欧洲提案至今仍被搁置。
一个没有守时人的国家
各国所做的，是实现时间、保持时间并分发时间。在葡萄牙，这项使命自1878年起由 Observatório Astronómico de Lisboa 承担，法律委托它负责法定时间服务，并在其下设有常设时间委员会（Comissão Permanente da Hora）。天文台在20世纪80年代迎来了第一台原子钟，并在2001年更新了设备。
出问题的是组织，而不是技术。2013年，随着里斯本两所大学的合并，天文台划归以文化遗产为本职的国家自然历史与科学博物馆（Museu Nacional de História Natural e da Ciência）管辖；时间服务成了无主之物，一直靠理学院（Faculdade de Ciências）的人员勉强维持。2022年，当局宣布将以一项法令把它移交给葡萄牙质量研究院（Instituto Português da Qualidade，IPQ），这一过程涉及两个部和国家安全办公室（Gabinete Nacional de Segurança）。没有消息表明该法令已经公布。
矛盾的是，能力是具备的。位于卡帕里卡的 IPQ 时间频率实验室（Laboratório de Tempo e Frequência）用三台为 TAI 作出贡献的铯钟实现了国家原子时标 UTC(IPQ)：葡萄牙正是凭借它出现在 BIPM 的计算之中。它所缺少的，是成为“法定时间”的法律授权以及发布它的义务。结果是，如今没有任何机构被正式赋予这项使命，而风险是实实在在的：
法律确定性。司法和行政期限、公共招标、拍卖和电子合同都精确到秒截止。一旦发生争议，并没有一台由法律指定为准的时钟。
时间戳。欧洲的规则要求合格时间戳必须可溯源至 BIPM 认可的某个 UTC(k)，最大误差为一秒。实际上，这指向的是 IPQ 或外国实验室，而不是“法定时间”。
无人负责的服务。仍然依靠天文台服务器为系统对时的人，依赖的是一项没有人有义务维持的服务。2023年6月，天文台的在线时钟一度出现了八分钟的偏差，在此事被媒体报道之后才得到纠正。
对卫星的依赖。由于没有指定的国家时间源，电信、能源和银行网络只能依靠本国无法掌控的导航系统对时，而这些系统的信号可能受到干扰或伪造。
这对制表师意味着什么
说一只表每天快四秒，就是在拿它和某样东西作比较。工作台上的校表仪把它与一个石英振荡器相比；那块石英又是对照更好的基准校准过的，而这条链条最终总是通向 UTC。表中所有的钟做的都是同一件事——数振荡——而钟表制造的历史，在很大程度上就是对更快、更稳定的振荡器的追寻。
振荡器 | 频率 | 典型偏差 |
惠更斯的摆（1656年） | 约 1 Hz | 每天约15秒 |
认证天文台表的摆轮 | 4 Hz | 每天 −4 至 +6 秒 |
腕表的石英 | 32 768 Hz | 每月约15秒 |
铯喷泉钟 | 9 192 631 770 Hz | 一亿多年差1秒 |
锶光钟 | 约 429 THz | 150多亿年差1秒 |
20世纪50年代 Benrus 腕表（机芯 ETA 1280）的摆轮与游丝：与原子钟相同的原理——一个规律的振荡器——只是尺度大不相同。图片：Chetvorno / Wikimedia Commons（公有领域）。
说到底，世界的时间并不是由某一个人定义的。它是由所有测量它——并同意分享结果——的人共同定义的。
小测验：你对世界的时间了解多少？
九道快问快答。选一个选项，就能立刻看到是否答对以及原因；所有答案都在文章里。
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