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闰秒将要退出计时舞台?

11月18日,世界各国政府代表在法国巴黎举行的国际计量大会(CGPM)上作出决定——从2035年起暂停在官方时钟上增加“闰秒”,以使其与地球自转同步。这项决议到2035年开始实施,具体细节还在讨论中。

闰秒(Leap second)指“一秒的调整”,在现行世界标准时(UTC,Coordinated Universal Time)中偶尔被应用,以适应精确的国际原子时(TAI,International Atomic Time)和观测太阳时(UT1,Observed Solar Time)之间的差异。通俗来讲就是通过给“世界标准时间”加1秒,让它更接近“太阳时”。每当闰秒来临,全球的“协调世界时”都会同时增加一秒。

然而,就是这个看似为弥补偏差而生的闰秒,把一众程序员都愁坏了。

Meta的工程师们发表的博客(图源Engineering at Meta)

今年七月,Facebook母公司Meta的工程师们曾联名发表了一篇博客,呼吁取消闰秒。微软、谷歌和亚马逊在内的科技巨头也纷纷表示赞同,美国和法国的计时机构也认同了这一请愿。加拿大哈利法克斯计量研究中心负责人乔吉特·麦克唐纳(Georgette Macdonald)评价道,闰秒破坏了基于精确计时的时间系统,可能在数字时代造成严重的破坏。

这套从五十年前沿用至今,并被写入各国中小学生课本的闰秒计时制度,是如何从为解决问题而生,到走向引人崩溃,并让各大互联网公司纷纷忍不住提议废除的呢?

闰秒的五十年“互联网沉浮史”

01 闰秒的登台:为解决偏差而诞生

既然如此让人崩溃不堪,那么闰秒缘何还会诞生呢?

为确定时间,世界上有两种时间计量系统:基于地球自转的“世界时”(UT)和基于原子振荡周期的“原子时”(TAI)。“世界标准时间”(UTC)与原子钟测量的精确时间同步,而“太阳时”则根据地球自转测量得出。但地球自转并不稳定,当地球自转周期不断变慢,每天的日子也越变越长。13亿年前的地球,一年长达500多天,每年有13-14个月。后来,由于太阳和月亮的潮汐力作用引起了摩擦,产生的热量被耗散掉,消耗了地球自转的动能,使得地球的转动逐渐变慢。

图源网络

随着科技不断发展,传统的世界时计量法无法顺应当下人们的需求,尤其在太空探测、通信导航、天文观测、工业自动化等对时间精确度要求极高的领域,为此,人们发明了计时更准确的原子钟。原子内部震荡不受外界环境影响,因此非常稳定和精确,以这种固定秒长计量的时间,其精确度每天快慢不超过千万分之一秒。

但随着时间推移,国际原子时和世界时这两个系统出现的差异会越来越大。因此,为了解决这种偏差,闰秒应运而生。

闰秒出现时,时钟在走到一天的尽头时,不会直接变成0点,而是会多出一个“59分60秒”(图源Qualys)

国际计量大会在1972年决定,当“世界时”与“原子时” 之间时刻相差超过0.9秒时,就在“协调世界时”上加上或减去1秒,以尽量接近“世界时”,这就是闰秒。

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例如,两者相差超过0.9秒时,就在23点59分59秒与00点00分00秒之间,插入一个原本不存在的“23点59分60秒”,来将时间调慢一秒钟。

由于地球自转周期难以预测,所以国际地球自转服务只能每半年宣布一次是否会在未来六个月后插入闰秒。从1972年到今天,闰秒已经增加了27次。

那么,闰秒又是为何走到了如今,不得不退出历史舞台这一步呢?

02 闰秒的时代沉浮:程序员的痛与泪

“闰秒造成的破坏,比它带来的用处大多了。”—— Meta

是的,就是这个看似为解决计时问题而生的闰秒,在过去五十年“从业生涯”中,给互联网行业的从业者带来不少可以让人头秃的困扰。

凭空少一秒、或冒出一个“第60秒”,就得出动一众人调整时间(如暂时关闭NTP等)、修改程序,尽可能降低闰秒带来的影响。中国科学院国家授时中心首席研究员董绍武曾直言,“闰秒其实是一种无可奈何的‘折中’。

闰秒报道一回,计算机大崩溃

受闰秒影响最大的是计算机系统。计算机依靠精准的计时服务器展开活动,多出的1秒会导致计算机产生“错乱”。

和千年虫那种因为程序语言无法顺应时代需求,而引发大规模的程序错乱不同,闰秒由于地球自转受海洋、大气、地核运动等多种因素影响,而出现增加时机不确定的情况。因此,程序员无法提前将闰秒写入系统。当互联网上的时间突然多出一秒时,很多程序会自动认为“时间不再前进,而是倒退回去了”,这种违背计算机内在逻辑的突发情况,直接催生出许多错误问题。另一方面,由于闰秒的相关知识在世界范围的开发者群体中普及率较低,所以很多程序员的时间将会浪费在【犯错误->发现错误->学习闰秒相关知识->->修改错误】这样的过程中,于是麻烦相应而生,层出不穷。

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2012年6月30日午夜,当闰秒被添加入世界原子钟后,就带来了一波“潮水般”的影响。国外不少知名网站陷入了临时服务中断,如社交平台LinkedIn、社交网站Reddit、美国商户点评网站Yelp、开源社区Mozilla等都出现了系统崩溃的情况,其中Reddit服务器无法与之同步,整个论坛宕机了40分钟。Linux操作系统和应用编程语言Java编写的程序也出现了问题。此外依赖计时器的机票预订服务Amadeus也发生了故障。

图源Twitter

2015年1月,两家澳大利亚航空公司的系统因为闰秒瘫痪了48分钟,工作人员只能被迫用纸张办理登记手续。2015年的6月30日,闰秒的增加同样产生了影响,让推特的推文时间显示出现了错误。Instagram、Pinterest、Netflix和亚马逊等网站服务器崩溃,多个网站离线了约40分钟。还有用户表示,他们的安卓手机和手表在距离7月1日还有几个小时时就把日期设为了7月1日。

图源Twitter

哪怕是提前做好准备,也免不了在闰秒来临时遭遇宕机。2015年6月30日,为了避免闰秒带来的更不可控的影响,美国洲际交易所集团在经历闰秒时主动停止运营了61分钟。2017年,Cloudflare也遇上了闰秒故障,导致一众客户用不了相关服务。尽管程序员们已经提前写好应对程序,然而在实际运行时,还是出了问题。

图源网络

为了这一秒钟的修正,可是花费了无数程序员的心血,耽误了无数用户的宝贵时间,更造成了难以计算的经济损失。也难怪各大科技公司都呼吁要取消闰秒。

也不是没想过解决方法

其实,科技公司与程序员们也不是没有为消除闰秒带来的影响而努力过。当前最常用的解决方法“平摊法”就是为此设计而生的。

例如,谷歌的程序员们会提前将多出来的一闰秒分割成许多份(如几分之一秒),通过不影响程序运行的方式提前将其悄悄加入到一大段时间中,使其慢慢增加。这样,当闰秒来临时,程序实际上已经将闰秒会带来的影响提前一步“平摊”到已经过去的时间里去了,最后使其刚好与“协调世界时”同步,平安无事地度过了这一秒钟。对于Meta程序员来说,采取的也是相似的做法,把这个闰秒在时间表上悄无声息地“抹掉”。2015年,日本股票交易所提前将这一秒平均分成7200份,分摊到两个小时里,在分摊结束时间恢复同步时,刚好赶上开市。