时间黑客：利用音频谐波欺骗原子钟

# 破解时间：利用音频谐波欺骗原子钟 来源：https://josephhall.org/blog/texture-of-time-wwvb/ ## 时间的纹理 时间是物理学、社会生活、治理和商业的基本锚点。人类在恶劣条件下对时间测量的不懈追求塑造了历史——最终带来了诸如1714年《经度法案》（https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Longitude_Act&oldid=1342525105）这样的创新和激励机制，用于改善航海计时。早期的机械钟出现在13世纪末，由基于重力的擒纵机构驱动，每次只推动齿轮前进一个齿，但其脆弱性限制了其实用性。对于日常且坚固的计时需求，人们依赖巧妙的模拟方法。例如，将钉子插入蜡烛中，随着蜡的融化，每根钉子会掉落并撞击金属板，以声音标记小时的流逝。 沙漏（或称漏沙钟），在1338年至1345年间的书面记录中出现，成为早期机械钟的高度便携替代品。正如A.J. Turner在其对该仪器的历史研究中指出（https://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/00033798200200171）（另见Balmer 1978年研究 (https://www.jstor.org/stable/3103761)），沙漏被用于法庭、学校和家庭——尤其适合海洋环境，因为船只的运动不会影响其准确性。水手们会在将绳索放入海中计数的同时使用小沙漏，这就是航海速度单位“节”（knot）一词的由来。相比之下，如今极其精确（且安全）的计时是现代数字和互联网基础设施的隐形基石。 我个人信赖协调世界时（UTC）。由于我们在互联网协会（ISOC）的工作遍布全球，我依靠UTC来即时了解跨洲队友、合作者和伙伴的时间。 这种希望在墙上拥有无可争议的“真实”时间的愿望，最近促使我购买了一块Marathon CL030079-BK-00-NA “原子”数字钟（https://www.amazon.com/Marathon-UltraWide-Atomic-Clock-Black/dp/B09QQRTNNT）。这些钟表承诺简单：内部有一个小天线，用于接收非常特定的无线电广播——来自科罗拉多州福里斯特城国家标准化和技术研究院（NIST）站的WWVB信号（https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=WWVB&oldid=1318206192）（https://www.nist.gov/pml/time-and-frequency-division/time-distribution/radio-station-wwvb）。它监听此广播并自动同步其显示到国家原子钟。 但问题是：无线电波传播的物理特性使得在东海岸接收该信号变得极其困难。 ## 东海岸的盲区 科罗拉多州的WWVB发射器输出70千瓦的功率——大约相当于一个主要的商业AM广播电台。但WWVB信号在60 kHz运行，这是一个极长的波长。来自该发射器的“地波”在600到1,000英里后减弱，无法到达我所在的马里兰州塔科马公园。因此，东海岸完全依赖于“天波”（https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Skywave&oldid=1353200148）——即信号中反射自地球电离层的部分。 但电离层变幻莫测。白天，太阳紫外线激发大气层的较低“D层”，使其成为吸收长无线电波的电磁海绵。夜晚，当太阳辐射减弱时，这种海绵消散。无线电波然后可以反射自更高、更具反射性的“E层”，跳过大陆最终到达马里兰州。这就是为什么这些钟表被编程在凌晨2点醒来并尝试同步。 即使在夜间，信号也耗尽，必须与城市生活的密集电子“噪音”竞争。每个Wi-Fi路由器、电源线和嗡嗡作响的显示器都会增加干扰。东海岸实际上是低功率信号的盲区。结果，我的Marathon钟基本上聋了——无法与原子钟广播校准，它慢慢地偏离了几秒甚至几分钟的真实UTC时间。 ## 填补空白 在其他地方，得益于互联网的简单时间协议（NTP），我有精确的时间——这是同步手机和笔记本电脑的标准。但我的墙钟仍然是一个孤立的模拟岛屿。 我需要一座桥梁。于是有了Clock Wave（https://apps.apple.com/us/app/clock-wave/id1073576068），一款智能手机应用程序，将你的手机变成一个小型的、本地化的WWVB发射器。没错：欺骗信号以校准！ 我得承认，当我第一次听到这个时，我很怀疑。*智能手机如何能欺骗60 kHz原子无线电广播？*手机中的音频硬件是为人类耳朵设计的，而人类只能听到约20 kHz以下的频率。为了高效覆盖这一范围，标准音频芯片（以及如CD这样的格式）以44.1或48 kHz采样率运行。根据Nyquist-Shannon定理（https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Nyquist%E2%80%93Shannon_sampling_theorem&oldid=1352168959），48 kHz系统在没有严重数字失真（“混叠”）的情况下，无法物理生成或输出高于24 kHz的频率。手机的音频管道根本无法播放60 kHz音调。 那么应用程序如何让钟表误以为它接收到的是60 kHz WWVB信号呢？答案：它作弊，使用物理模拟失真。 ## 音频谐波和音圈 Clock Wave应用程序没有试图播放平滑的60 kHz音调，而是输出最大音量的刺耳20 kHz*方波*。这故意过载手机的模拟放大器，导致电路“削顶”信号。由此产生的失真产生了数学回声——谐波。方便的是，20 kHz的第三次谐波正好是60 kHz。 真正的魔法在于：**智能手机根本没有广播无线电波。**扬声器使用“音圈”——一个小电磁铁。通过脉冲这个线圈，手机在设备旁边生成一个快速波动、高度局部化的磁场。 钟表的内部接收器——调谐的*铁氧体棒天线*（https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Loop_antenna&oldid=1350762388#Ferrite_loop_antenna）——设计为与磁场共振（电感耦合），对声音 deaf。它忽略响亮的20 kHz音频，仅感受到微弱的60 kHz磁回声，成功解码隐藏其中的时间数据。 ## 模拟广播 因为这一技巧依赖于局部的磁“近场”而非辐射无线电波，所以只能在极近距离内工作。无线电波从天线脱离并逐渐减弱（反平方定律），但近场磁能紧紧附着在其源上，并急剧下降（反立方定律）。移动手机哪怕一英寸，信号就会消失。 **以下是我为Marathon CL030079-BK-00-NA同步的工作流程：** 1. 打开Clock Wave应用程序，确保它获取了准确的互联网时间，并将其设置为**发送**。 2. 将智能手机音量调到绝对最大（这驱动削顶并供电给电磁铁）。 3. 将智能手机的扬声器直接放在墙钟的外壳上以克服近场衰减。 4. 同时按下钟表背面的**同步**和**波形**按钮以强制其监听。 抱歉，您的浏览器不支持嵌入视频。在此下载视频（https://josephhall.org/videos/Clock-Wave-WWVB-demonstration.mp4）。近距离演示Clock Wave应用程序传输无线电波以同步壁挂原子钟。你会看到钟表上的天线图标开始闪烁。保持手机位置直到该图标变实——意味着钟表已锁定并且其LCD现在完美匹配互联网时间。 **最后关键步骤：**一旦同步完成，我立即*关闭*钟表上的WWVB自动接收功能。如果保持开启，钟表会在凌晨2点醒来，尝试（并失败）听到科罗拉多州，接收到随机静电，有时显示非常错误的时间。 ## 模拟之线 我们倾向于认为现代时间——UTC、NTP、数字同步——是无形的数据。但将那样精确的时间传入一个孤立的墙钟需要绕过数字世界。这意味着故意失真放大器以每秒20,000次脉冲微观铜线圈，投射出一个小小的磁场。 14世纪的水手依赖沙子流动是因为海洋对精致齿轮充满敌意。我依赖音圈的振动是因为东海岸对长波无线电充满敌意。我们已经现代化了计时艺术，但有时我们仍然需要一种深度的模拟黑魔法将其准确固定在墙上。