月球上用什么时间？

2026年10月15日，第28届国际计量大会通过“关于确保协调世界时连续性所需的技术行动”的决议，将于 2027年5月20日生效。决议将描述地球自转角度的时标与世界协调时的最大差值设定为3600秒（1小时），以确保协调世界时在未来几个世纪的长期连续性。这意味着我们日常所用钟表的原子时计时，正式与地球自转的天文时间彻底剥离开来，延续半个世纪的闰秒机制就此走向终结。大会同时通过“关于国际月球参考时标的定义及其与协调世界时的溯源性”决议，为建立月球专属时间标准迈出关键一步。

过去数年，国内外积极推进月球表面独立原子钟时频计量与服务体系建设。随着探月工程不断发展，建设月面基地不再只是科幻设想，一套专属月球的时间标准变得愈发迫切。

本文来自微信公众号：科学杂志1915，内容刊载于2026年第78卷第5期《科学》杂志（P11-P15），作者：余和真、刘民，题图来自：视觉中国

登月时代正在加速到来。多个国家和商业机构宣布了月球基地建设、资源开发和科学考察等计划。月球表面的活动将进入常态化阶段，不再只是零星的科学实验，而会呈现持续、密集、多主体协同的特征。在这样的背景下，一个看似简单却至关重要的问题浮出水面：在月球上，我们用什么时间？

协调世界时（coordinated universal time， UTC）在地球上全球通用，飞机、卫星、互联网等都离不开它。但到了月球上，这套时间体系还能直接使用吗？答案藏在爱因斯坦的相对论里，广义相对论指出，引力场越强的地方时间流逝越慢^[1，2]。由于月球表面的引力只有地球的约1/6，引力势不同，加上月球绕地球运动的速度效应，月球上的时钟与地球上的时钟走速天然不同。

这意味着，地球的标准时间信号不能直接用作月球的时间标准。如果月球上的设备都与地球时间保持同步，不仅技术上极其困难，而且本质上是在用一个不适用于当地物理条件的时间尺度来指导当地活动。月球需要构建属于自己的时间体系——独立、可靠、能够自我维持^[4，5]。

地球上的时钟和月球上的时钟走速并不相同  月球上的时钟走速比地球上的时钟每天快约58微秒^[3]——这个差异看似很小，但对于高精度的导航定位而言，一天积累的偏差就足以让位置测量误差达到十几千米。更麻烦的是，这个“快”的幅度并不是恒定的，而是会随着月球在轨道上位置的变化周期性波动，无法用一个固定系数简单修正^[2]。

围绕月球标准时间如何定义，国际上目前有3种方案，分别代表3类不同的时间定义思路。

第一种是直接复制地球时间体系，在月球上设立一个中心守时基准，不断接收地球上协调世界时的授时信号，与地球时间“对齐”。该方案的优点是简单直接，缺点也同样明显：一旦中心守时基准或通信链路出现问题，整个时间系统就会瘫痪。更重要的是，跨越地月空间的授时信号受到相对论效应和多普勒效应的影响，根本无法保证高精度。

第二种是在月球表面复刻一个类似地球大地水准面的集中守时中心。地球上的国际原子时（international atomic time， TAI）本质上就是大地水准面上所有原子钟时间的集合——地球的引力势和自转离心势在这个面上此消彼长，最终平衡到一个常量上，所有钟走速一致。月球上也可以仿照这个思路，约定一个等势面，在这个等势面上部署守时中心，让月球标准时间与该等势面上的原时保持相同速率。这样时钟不需要做复杂的相对论修正，月面用户使用最为方便。但其代价同样巨大：一旦守时中心出问题，整个时间体系就失去了物理参考。欧洲航天局（European Space Agency， ESA）计划在2031年前后借助“阿耳戈英雄”号着陆器实施的NovaMoon计划，正是沿着这个思路迈出的重要一步，它将在月面建立一个“时间实验室”和“大地测量参考站”，作为实现月球标准时间的物理基础之一。但其本质仍然是集中守时，因此单点故障的风险并未消除。

第三种是去中心化守时。该方案的思路与前两种完全不同，月球标准时间不由任何一个中心节点定义，也不依赖任何外部基准，而是由分布在月面不同地点和绕月轨道上的多个守时装置，通过相互比对、协商校准，自我修正，形成并维持统一的标准时间和空间参考^[6]。该方案从根本上消除了单点故障，不依赖地月通信链路，能够自我维持和自我修复。该方案由中国研究团队率先提出^[3]，备受国际关注，并且与广义相对性原理的“平权”思想高度一致^[7]。

3种定义月球标准时间的方案

为什么中心化守时在月球上行不通？

要理解去中心化守时的意义，首先需要明白为什么地球时间体系无法直接移植到月球。地球上现行的标准时间体系，由位于法国巴黎的国际计量局汇集全球数十个国家、数百台原子钟的测量数据，通过加权平均算法计算出一个“纸面时间”——协调世界时^[7，8]。全球各地的守时实验室将本地钟的频率和相位调整到与协调世界时一致，再通过卫星、光纤、无线电等方式向用户广播。

这个模式在地球上运行良好，但搬到月球上，可能面临三重障碍。

第一重障碍是物理上的——时间信号无法精准传递。地球与月球平均距离约38万千米，无线电信号单程耗时1.3秒。此外，地月距离不是固定的，月球在椭圆轨道上运行，距离在36万~40万千米之间周期性变化；地球和月球还在自转和公转，相对速度持续改变。这些因素叠加在一起，使得信号从地球发往月球的传播延迟一直在变化，而且变化规律复杂到难以用一个简单的公式精确描述^[2，9]。以目前的技术水平，想把协调世界时传到月球并保证高精度，几乎是不可能的。

第二重障碍是系统上的——“一个中心”太脆弱。在中心化模式下，标准时间的定义、维持和发布都依赖核心节点的正常运转。一旦地球与月球之间的通信链路中断——比如太阳耀斑爆发干扰了无线电传播，或者中继卫星出现故障——月球就失去了与地球时间的联系。如果未来月球基地发展到相当规模，人类在月面上的活动与地球控制中心之间需要实时协调，一条通信链路的短暂中断都可能造成整个任务陷入混乱。把时间基准的“命脉”系于一条链路、一个中心，对于长期、独立的月球开发来说，其风险是不可接受的。

第三重障碍是观念上的——“依附”模式不适合多天体时代。中心化模式隐含了一个前提：“一个中心”是基准，其他都是“副本”。这在地球范围内暂且没有问题，但如果推广到月球甚至火星，就意味着所有天体的时间都要从属于地球时间。这不仅在哲学上违背了广义相对性原理的“平权”原理，在实际操作中也会导致越来越复杂的换算和修正^[7]。每个有独立活动能力的天体，都应该拥有独立的、依据自身物理条件定义的标准时间体系——这是人类走向多行星文明的内在要求。

因此，无论是第一种方案，还是第二种方案，都绕不开同一个问题——依赖某一个“源头”。前者依赖地月通信链路和协调世界时，后者依赖月面上唯一的守时实验室。一旦 “源头”出现问题，整个时间体系就会失去根基。这就引出了第三种方案，它充分利用绕月卫星的广域覆盖能力和月面设备的长期稳定特性，将两者组合成有机的整体守时网络。

去中心化守时如何实现？

理解了前两种方案的局限，那么第三种方案到底如何运作呢？不妨先做一个思想实验。想象你走进一间大会议室，里面有12个人，每人面前都有一块表。问题是——这些表走得不完全一样，有的快几秒，有的慢几秒。没有“标准钟”可以参照，也没有人播报“现在是北京时间几点整”。请问，如何让这12块表最终显示同一个时间？

答案并不是“找一块最准的表作为标准”，因为没有人知道哪块表最准。唯一可行的方法是：所有人报出自己的时间，取平均值，然后找出离平均值最远的那块表，把它调一调。反复几轮之后，所有表的读数会越来越接近，最终收敛到同一个时间。

月球去中心化守时系统，本质上就是把这个思想实验搬到了月球上——只不过会议室变成月球表面和绕月轨道，12个人变成多个高精度原子钟（术语叫作守时装置），报时变成无线电或激光“两两比对”，记录两者钟面读数差值，调表变成自动化算法修正。

这套系统由两部分物理设施组成。一部分部署在月球表面，例如未来的月球基地、科研站等，保持长期固定，能够持续运行。另一部分部署在绕月轨道的导航卫星或通信卫星上，覆盖范围广，能够与月面各个角落的设备建立通信链路。月面装置提供长期稳定性，轨道装置提供广域连接能力，两者组合就构成了一张覆盖整个月球局域的守时网络。

具体来说，这套系统通过6个步骤实现自主守时^[6]。

(1)各自“看表”  每个守时装置独立地用铯原子钟测量自己的本地时间。这一步的关键是“独立”——不依赖任何外部授时信号，但是必须使用共同的计量语言，即国际单位制规定的铯原子频率常数，无论在月球还是火星，时间单位都是用铯原子钟复现基本物理常数获得的。

(2)换算成“共同语言”  这些钟分布在不同的地方——有的在月面，有的在轨道——受到的引力和运动速度各不相同。根据广义相对论，引力不同、速度不同，时间流逝的快慢就不同。所以，各个钟的本地时间不能直接对比。每个守时装置需要根据当前位置的引力势和速度，将本地时间换算成月球质心坐标时。这一步换算所用的公式，正是从广义相对论推导出来的。

(3)两两“对表”  换算完毕，所有守时装置通过无线电或激光链路，或借助中转链路，两两之间发送并接收时间读数。如果两个守时装置的通信链路是对称的，那么路径延迟就可以相互抵消，获得精准的时间差。最终，每个守时装置都得到一张巨大的“钟面读数差表格”，记录着自己与所有其他装置之间的读数偏差。两两比对的好处在于，不需要把所有数据汇总到某个中心再分发——每个装置都掌握着全部信息，即便有装置离线，其他装置依然能完成比对。

(4)找出“最不准的那个”  有了这张表格，每个守时装置都能独立计算出平均时间，以及自己离平均值有多远。谁的偏差最大，谁就是这一轮中“最不准的那个”。识别过程不需要任何中心节点来判定，统计学中的大数定律保证了其可靠性：当守时装置数量足够多时，群体平均值会越来越接近真实值，离群者的偏离量也会被越来越准确地度量。

(5)“离群者”主动调整  被识别出的守时装置主动地、小幅度地调整内部参数向着平均值靠拢——可能是调整本地时间到坐标时间的转换系数，也可能是调整历表中到月球质心的距离。目的是下一轮不再成为“离群者”。其他所有装置在这一轮中保持不动。所谓调钟，并不是物理意义上调节原子钟，原子钟仍保持测量本地原时，只是在计算钟面读数时，通过算法调节一个转换系数和一个偏移量。如果位置历表有误差，换算出来的坐标时就会有系统偏差；如果转换系数不够准确，本地时间到坐标时间的换算就会偏离。

(6)重复直到收敛  一轮调整之后，系统进入下一轮遍历——重新各自测量、换算、比对、识别、调整。如此反复，所有钟的读数会越来越接近，最终稳定在一个公认的统一时间上。

这6个步骤构成了一个闭环，不需要外部授时和中心节点，系统内部各个装置通过平等地比对和迭代修正，自主产生并维持标准时间。

去中心化守时方法示意

为什么 “偏离平均值最大者调节”？

到这里，大家可能会产生一个疑问：地球上守时系统的通行做法是“加权平均”——性能更好的原子钟权重更高，对最终时间的贡献更大。为什么在月球上不沿用这种做法，而是采用“偏离平均值最大者调节”这种看起来似乎不够精细的方式？这个问题触及了去中心化守时方案的核心逻辑。

加权平均的实质是“信任分配”——你认为谁的钟更准，就赋予它更大的权重。但“谁更准”这一判断，本身就需要一个具有全局视野的中心节点来做出。以国际计量局在计算协调世界时的过程为例，这一判断基于各守时实验室长期报送的比对数据，由权威机构综合评估后分配权重。也就是说，加权平均必须以存在一个可信的中心评估者为前提。这种逻辑不符合广义相对论性原理的“平权”思想^[7]——不同位置的时钟走速天然不同，是物理规律决定的客观现象，而不是哪个钟“更准”或“更不准”。在地球守时体系中，所有参与钟都位于大地水准面附近，在这个面上相对论效应各处相等，加权平均有其合理性；但月球守时装置的分布横跨月面和绕月轨道，引力势和速度差异导致的原时偏差是不可忽视的物理量^[2，3]。给不同位置的时钟分配不同权重，相当于在物理规律之外人为引入了新的不平等——用地球的“中心评估”思维去处理一个必须遵循相对论的多局域问题。月球上没有像国际计量局那样的机构，拥有长期积累的全球时钟数据、成熟的评估体系和公认的权威性。即使强行建立中心，这个中心本身也会成为单点故障的来源，与去中心化的初衷背道而驰。

“偏离平均值最大者调节”不预设对“谁更准”的判断，不分配权重，只遵循一条最简单的规则：谁的读数离群体最远，谁就向群体靠拢。不需要信任，不需要权威，不需要预先知道谁的钟更好，系统通过反复迭代自行收敛。

这与加权平均有着本质的区别。加权平均是“中心告诉你怎么调”，而偏离平均值最大者调节是“约定的规则告诉你往哪调”。在月球这个无法依赖单一中心的环境里，基于约定规则的自主收敛，远比基于中心的分配更可靠、更鲁棒。

更重要的是，这套规则有深厚的统计学和计量学原理作为支撑。在统计学中，平均值是描述一组数据集中趋势的最基本统计量，而偏离平均值最大的数据点，正是影响整体一致性的首要误差来源。每一轮识别并修正最大离群值，本质上是逐步降低系统的测量方差，使所有数据向中心值收敛，这也是统计学中稳健估计的核心思路。在计量学中，这套方法对应着一种被广泛认可的溯源方式——约定溯源^[7，8，10]。

从计量学角度解释，溯源就是回答“你的测量结果凭什么可信”的问题。日常生活中，我们买完东西用秤复称一下，发现分量足，心里就踏实了——因为这杆秤的刻度曾经与某个标准砝码比对过，那个标准砝码又与国家基准比对过，最终追溯到国际千克原器。这就是溯源：通过一条不间断的比对链条，把每一次测量与公认的基准联系起来，让测量结果有据可依。传统计量溯源要求所有测量最终追溯到某个权威基准，但在月球这种无法建立单一权威基准的环境中，约定溯源提供了另一条路径：所有参与者通过公平、透明、平等的相互比对和迭代校准，共同约定一个参考值，这个参考值具备溯源的效力[10]。地球上的国际原子时其实也是一种约定——各国原子钟共同约定一个纸面时间，然后各自溯源。只不过地球上的约定由一个中心机构来维护，而月球上的约定由系统规则来维护。去中心化方案把“约定”从机构行为变成算法规则，用统计学的方法实现溯源。

还有一个容易被忽视的设计细节：每一轮只有一个装置调整。如果多个装置同时调整，彼此之间会相互干扰——你调一点，我也调一点，谁也不知道最终会收敛到哪里。而“一次只调一个”保证了每一轮的变化都是可控的、可预测的，系统稳步趋向一致。当最初只有少数几个守时装置时，系统会设定一个“限值”——允许的最大偏差范围。随着轮次增加，限值逐步缩小，系统将越来越精确。

当新的守时装置加入系统时——比如新建的月球基地部署了新的原子钟——同样遵循这套规则。它先把自己的时间读数填入“时间差表格”，系统识别是否偏离平均值过大。如果是，它会被选为“离群者”，调整参数直至融入群体。老旧装置也可以“平滑”退役，不影响系统运行。

“偏离平均值最大者调节”的设计解决了一个经典难题：当多个时钟“对不上表”的时候，怎么判断哪个更准？在地球上，这一问题可由国际计量局这样的权威中心来回答；但在月球上，没有这样的中心，也不应该依赖这样的中心。去中心化方案用一套平等、透明、可验证的规则替代了权威裁决——“准”的定义不是某个机构指定的，而是所有参与者反复在迭代校准的过程中自然浮现出来的。这既是一种技术方案，也是一种全新的治理思路。

去中心化方案带来了什么改变？

与中心化模式相比，去中心化带来的不是某项指标的提升，而是一系列根本性的改变。

最直接的是可靠性层面的改变。中心化模式下，一旦中心节点故障或者地月通信中断，整个时间系统就失去了源头；而在去中心化模式下，任何一个守时装置出问题都不影响整体——只要还有4个以上的装置正常工作，系统就能持续运行。某个基地停电、某颗卫星失联，系统会自动识别并跳过它，其余装置继续相互比对、迭代校准。这种“容忍故障”的能力，对于远离地球、无法频繁维修的月球环境而言，具有极高的价值。

再看系统演进的方式。月球开发将持续数十年甚至上百年，守时技术也将不断进步——今天的铯原子钟已经足够精准，但明天的光钟可能还要精准一千倍。去中心化方案允许新装置随时加入、旧装置随时退役，系统可以平滑升级，不受任何节点的制约。在新建的月球基地部署一台新的原子钟，将自动进入两两比对、校准的过程，无须重新设计系统架构。而中心化模式下，每一次扩容或技术升级，都需要重新调整中心与所有节点之间的关系，成本高、风险大。

还有一个容易被忽略但意义深远的改变：守时与导航的合二为一。去中心化守时系统广播的是“时间戳”——包含位置和时间信息的四维数据。任何一个用户，只要收到4个以上守时装置的时间戳，就能计算出自己的位置和当前时间。这意味着，这套为守时目的设计的系统，天然就是一套导航定位系统。在地球上，守时（时间基准的维持）和导航（位置的计算）由两套独立的系统完成；而在月球上，两者合二为一，同一个基础设施同时服务于“几点”和“在哪”两个需求，既降低了部署成本，也简化了维护体系。

长远来看，这套方案的范式可以复制。月球不是终点，还有火星、木卫二、小行星带等——人类终将走向其他天体。每一个天体都需要适合自己的时间体系。去中心化方案提供的是一套通用方法：无论走到哪个星球，只要部署4个以上的守时装置，两两之间相互通信，运行同一套迭代校准规则，就能在当地自主产生标准时间。这套方法不依赖地球或特定天体、无须任何中心节点，可以在太阳系的各个角落复制。相比之下，中心化模式每到一个新天体都需要重新建立与地球的授时联系，距离越远，延迟越大，误差也越大，最终难以支撑。去中心化方案则为多天体时代的时间治理提供了一条可持续的路径。

结语

从“一个中心指挥所有钟”到“所有钟通过协商自主一致”，月球标准时间方案的演进折射出更深层的变化——人类正在从单一星球的栖息者，转变为多个天体的探索者。在这样一个新阶段，沿用旧的时间治理模式注定力不从心。

去中心化的月球守时系统，将广义相对性原理中“所有参考系平权”的原理，落实为一条简单而精妙的工程规则：偏离平均值最大者调节。没有权威中心，没有预先分配权重的复杂评估，只有平等参与、公开比对、迭代收敛。这套方案兼顾了可靠性、可扩展性、与导航系统的兼容性，以及向火星等其他天体推广的通用性。

这套由中国团队率先提出的方案，目前在国际月球标准时间定义的讨论中占据前沿位置。它正在从一种理论构想，逐步走向工程验证。当第一批守时装置在月面和绕月轨道上相互“对表”时，人类将第一次在另一个天体上拥有完全自主定义的时间。那不是地球时间的副本，而是月球自己的时间，这也是多行星文明应有的时间观。

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[10]刘民， 帅平， 平劲松， 等. 地球以外的时间规则研究. 电子测量与仪器学报， 2022， 36(7): 1-8.

本文来自微信公众号：科学杂志1915，作者：余和真【博士研究生，北京东方计量测试研究所，北京 100086；国家市场监督管理总局重点实验室（空间计量），北京 100190。yuhezhen0556@163.com）、刘民（研究员，北京东方计量测试研究所，北京 100086】