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时间在哪儿？

浏览量：1826 作者：发布于：2024-01-26 文字：【大】【中】【小】

中国科学院国家授时中心主任、首席科学家张首刚（中）在空间窄线宽激光实验室与科研团队成员交流。新华社发
中科院国家授时中心守时实验室显示的北京时间。新华社发
　　什么是时间？在自然科学中，时间是标注事件发生瞬间和持续历程的一个基本物理量，应用在国计民生的方方面面，是应用最广的物理量，也是目前测量精度最高的物理量。因此，世界上大多数国家都有自己的标准时间。像法国的巴黎时间、德国的柏林时间、日本的东京时间、中国的北京时间。
　　那么，什么是北京时间呢？甘肃省敦煌正在建立的敦煌授时台又意味着什么？带着这些问题，本期我们聊聊有关时间的事儿。
　　“北京时间”究竟是什么
　　全世界的时间采用区时制，我们按照地理经度把全球划分为24个时区，每个时区以其中央经线所在的地方时作为该时区的标准时间。那么问题就来了，我们国家幅员辽阔，横跨5个时区，为了统一管理以及方便人们的日常生活，需要定义一个全国通用的标准时间，以哪一个时区的时间作为全国的标准时间呢？
　　1949年9月，在中国人民政治协商会议第一届全体会议上，确定了新中国的标准时间是首都北京所在的东八区区时，即东经120度经线所在的地方时。因此，“北京时间”就有了明确的定义。实际上，世界上大多数国家都以首都所在时区的区时作为整个国家的标准时间。
　　告诉大家一个有趣的事实，那就是北京市的地方时，也就是北京市当地时间，与北京时间有一定的差异。在北京市，太阳在人们头顶正上方的时间不是北京时间中午十二点，而是十二点一刻左右。这是因为北京的地理经度为东经116°21′，并不是东经120度，经度每差一度，时间就差4分钟。同理“北京时间”的产生地西安，西安的地方时比“北京时间”晚了大约44分钟，兰州的地方时比“北京时间”晚了大约1小时零5分钟。地方时与“北京时间”最接近的省会城市是杭州。
　　“时间”的历史
　　如果问大家，现在几点了？估计很多人都会去看手表或者手机。那么，在古代，人们是如何知道时间的？
　　古时，人们“日出而作，日入而息”，我们的祖先很早就以太阳升落和高低来判断时间，安排生产生活。圭表是最早的天文测量仪器之一，它是通过观测太阳投影的长短来测节气、定农时，它也可以用来测定一天正午的时刻。圭表后来逐渐演变成我们较为熟悉的日晷，它以太阳投影的方位来指示时间。
　　我国古代计时有一种计时工具叫香钟，通过香的燃烧来计时。一炷香的时间就是从这儿来的。如果告诉大家，时间还可以用秤来称，估计很多人不信。我国南北朝时期，有一种计时工具叫“秤漏”。它有一个盛满水的大桶，通过一根细管把大桶的水引入另一个小水桶中。随着时间流逝，小桶里的水量逐渐增加。把小木桶挂在秤钩上，通过称它的重量就实现了时间测量。现在我们知道，它利用的是虹吸原理。虹吸过程中，水流有较好的均匀性，秤漏的计时精度也就相对较高。
　　我们看到的日月星辰每天东升西落，其原因是地球在自转。相对稳定的自转特性使地球成为一面天然的大钟。天空的恒星好比钟面上的刻度，天文学家使用的望远镜或者其他观星仪器好比钟面上的指针。当望远镜对准某颗恒星时，我们就知道了它指示的准确时刻（看上去“指针”不动，“钟面”在转动），这种方法测定的时间叫做“世界时”。世界时的一天就是太阳两次过头顶的时间间隔，而一秒则是一天的1/86400。（24小时乘以60分乘以60秒）
　　那么，今天我们为什么需要更精确的时钟呢？为什么要用原子钟？由于地球自转速率受月球等天体摄动的影响（存在着潮汐现象），以及天文观测的技术能力限制，世界时的测量只能达到毫秒量级，远不能满足人类发展航天技术、精密测地等需求。人们在努力寻找更加稳定的周期运动来测量时间。随着量子力学的发展，实验发现一些分子和原子内部的量子跃迁能够产生周期非常稳定的信号，非常适合时间测量，于是人们就开始研制原子钟，原子钟也成了人类最早应用量子力学研制的测量仪器。
　　世界上第一台氨分子钟和铯原子钟分别诞生于1948年和1955年。原子钟的应用把当时的时间测量精度提高了2-3个量级。原子钟有不同类型，其用途也各不相同。比如守时型原子钟、基准型原子钟、北斗导航卫星上的星载钟以及仪器里的芯片大小微型原子钟。
　　原子钟是非常精密的仪器，研制难度大。70多年来，在科研人员的不断努力下，原子钟精度平均每10年提高一个量级（就是10倍）。
　　有了原子时，我们就不需要世界时吗？不是这样的! “北京时间”是原子时和世界时共同“协调”产生的。
　　“原子时”和“世界时”
　　我们知道，时间有两个内涵，一个是时刻，一个是时间间隔。比如我们通知会议“明天上午8点开会，会期半天”，会议开始时间就是时刻，会期就是时间间隔。我们知道了，原子钟提供原子时，十分稳定，用于测量时间间隔，但是它没有确切的时刻含义。然而，世界时则相反，它的秒长不够稳定，但是它的时刻对应着太阳在天空中的特定位置，反映着地球在空间自转角度的变化，与地极坐标等一起构成地球定向参数，世界时与人们日常生活密切相关。我们熟知的大地测量、天文观测、飞行器跟踪定位，以及战略武器试验等都需要世界时。世界时具有重要应用价值，而一些精密物理测量研究则需要稳定的原子时。在应用需求上，这形成了一对矛盾。
　　1958年1月1日0时，科学家把 “原子时”和“世界时”对准，同时开始运行。但随着时间的推移，两者差异越来越大，主要是因为潮汐作用的影响等，地球自转速率长期变慢。为了解决这一问题，人们引入另外一种非常重要的时间尺度，叫“协调世界时”，它利用原子时的均匀性，采用原子时的“秒长”，而在“时刻”上尽量靠近世界时。当它与世界时的偏差接近0.9秒时，全世界在同一时间，统一对协调世界时进行加1秒或减1秒的调整，这就是我们所说的“闰秒”。1972年，协调世界时正式成为国际标准时间。
　　全球不同国家和地区的90个守时实验室，有500多台守时型原子钟，每天通过卫星进行时间比对。国际权度局根据每个原子钟的性能，利用专门的算法计算得到一个稳定的自由原子时，再通过运行在部分守时实验室的十几台基准型原子钟，其中主要是铯原子喷泉钟，对这个自由原子时进行校准，形成既稳定又准确的国际原子时数据。然后再根据国际地球自转服务组织提供的世界时测量数据，对国际原子时进行闰秒调整，形成了国际标准时间，即协调世界时。
　　我们有了国际标准时间，我们为什么还要产生我们自己的北京时间？那是因为国际标准时间不是一个实际的物理信号，是滞后一个月发布的一个纸面数据。而我们需要的是真正能实时应用的实际物理信号。所以北京时间应该是国际标准时间在中国的一个具体实现，是中国版的协调世界时。
　　北京时间的产生是国家授时中心使用了40多台不同性能的守时型原子钟，综合产生连续稳定的原子时，利用铯原子喷泉基准钟对其进行校准。按照国际统一部署对其进行闰秒，与世界时进行协调，形成我国的标准时间，即北京时间。我们的原子钟每天参与国际比对，正常情况下，我们应用滞后1个月的反馈数据进行校准，这样实现了北京时间与国际标准时间的一致性，专业上称“时间溯源”。其实，各国标准时间都是这样产生的。
　　我国自主研发的原子钟
　　北京时间产生的核心设备是原子钟和世界时测量系统。其中，原子钟分为两类，一类叫守时型原子钟，另一类叫基准型原子钟。守时型原子钟性能相对较低，但是，其环境适应性较强，能够常年连续可靠运行，用于连续产生和记录时间信号，也就是我们说的守时。一定数量守时型原子钟的使用不仅确保了时间信号产生的可靠性，还确保了其连续性和稳定性。
　　各国的标准时间都需要进行国际比对，正常情况下，国际权度局一个月给出一个结果，我们用它来校准北京时间。如果国际比对链路中断，我们的时间就可能会出现误差。因此需要一台比守时原子钟更精准、能够连续运行15天以上的基准钟，实现对北京时间的自主校准。
　　目前，国际上的基准钟是基于激光冷却和囚禁理论实现的铯原子喷泉钟。在喷泉钟里，铯原子的运动就像我们平常看到的喷泉一样。原子内部有不同的能级，当原子在两个能级间跃迁时，将吸收或释放固定频率的电磁波。在六束激光作用下，把自由运动速度较大的原子减速降温，并聚集成原子团。原子团在激光作用下作自由上抛运动，上升和下落过程中，与外加电磁场发生两次作用，原子在两个能级间发生跃迁，我们通过调整和控制外界电磁场振荡频率，使跃迁几率始终保持最大，从而使得外加电磁场振荡频率和原子辐射或吸收电磁波频率一样。这样原理的原子钟一面世，相比原来的热原子基准钟性能提升了100倍。
　　2005年，中国科学院国家授时中心开始了原子钟的研制工作。经过15年的不懈努力，我们成功研制了两台具有独立知识产权的铯原子喷泉钟。打破了国外超高细度光学腔的加工和镀膜技术的垄断，国际上第二家实现了超稳光生微波源系统。应用该新型微波系统，研制的铯原子喷泉钟的性能位居世界前列。铯原子喷泉钟的应用使北京时间有了自主的校准能力，保证了它的准确性。
　　2017年，国家授时中心联合企业，一起实现了世界首款新型守时型原子钟产品——激光抽运小铯钟，已应用在北斗卫星导航系统、长河二号导航系统、5G通信系统以及北极科考等任务，也装备在国家标准时间产生与保持系统，打破国外长期独家垄断。2021年11月，三台激光抽运小铯钟在国际标准时间计算中取得权重，并被国际权度局推荐给各国用于其标准时间的产生。
　　2020年，国家授时中心建立了基于数字天顶筒照相技术、甚长基线干涉技术和卫星测地技术等多手段融合的世界时测量系统，实现了世界时自主测量，服务于我国深空探测和国家标准时间产生等。
　　“北京时间”如何发播的
　　如何能够把时间信号发送给不同地方用户呢？这就需要授时。“授时”由来已久，古代的“授时”通常是指授农时节令。《尚书》中有这样的记载：“乃命羲和，钦若昊天，历象日月星辰，敬授人时”，意思是说帝尧委派官员，要他们恭敬地遵循天道，观察推算日月星辰的运行规律，从而制定历法，指导人们生产生活。在农耕时代，适时的播种和收割是关系着经济收入和社会稳定的大事。至今，在北京建国门附近的古观象台，还悬挂着乾隆皇帝题写的“观象授时”牌匾。
　　在古代社会，钟鼓楼应该是城市建设的标配，一般是位于市中心的最高建筑，通过晨钟暮鼓进行报时。早晨的钟声和傍晚的鼓声传遍城市的每一个角落。我国许多城市至今还留存着古代的钟楼和鼓楼，见证着授时的发展历程。
　　在影视中常常能看到打更，更夫每天晚上要守着香钟或者滴漏等，到了更时进行巡夜，并通过打梆子或敲锣进行报时，这是我国古代的一种夜间报时制度。
　　现在与过去大不相同，现代授时手段是利用包括电话、网络、光纤、无线电短波、无线电长波、无线电低频时码、卫星等有线和无线的传播技术发播标准时间，满足不同应用需求。
　　20世纪60年代，围绕经济建设和国防建设需求，我国在内陆腹地陕西蒲城建设了专用短波授时台。短波授时（波长20-120米）主要依靠电离层反射来传播时间信号，授时精度较低，在毫秒量级（也就是千分之一秒）。能够满足天文观测、地震测量、电力调度等应用。
　　但是这样的授时精度不能满足“两弹一星”、空间科学发展及其他应用需求，20世纪70年代初，国家授时中心负责建设了我国的长波授时系统（长波波长3公里），钱学森先生在1974年长波授时台方案论证会上指出，建设长波授时台就是要建全国统一的、高精度的一面大钟。在全国相关科研单位和工业部门的共同努力下，20世纪80年代初，我国在陕西蒲城建成长波授时系统，授时精度达到微秒，即百万分之一秒量级，比短波授时提高了1000倍。从此，我国授时技术水平进入世界先进行列。
　　本世纪初，我国建成了电话和网络授时系统，在河南商丘还建设了另一种信号体制的长波授时台，叫低频时码授时台，向周围1000公里范围内发播授时信号。另外，国家授时中心还建立了基于通信卫星的授时系统。我国北斗全球卫星导航授时系统也于2021年7月正式开通服务，授时精度在10纳秒量级。现在，我国建立了比较完备的授时系统，用多种手段发播北京时间，较好地满足了各行各业的不同需求。
　　我国正在建设“十三五”重大科技基础设施——高精度地基授时系统。其中，敦煌授时台以及授时监测站是该系统重要的组成部分，建成后将成为国际上功能最完善、性能最先进的地基授时系统中的重要节点，对提高我国授时系统的安全性和可靠性，以及授时精度和服务能力有着重要的价值。
　　精准授时跟生活有何联系
　　有了“守时”和“授时”，还要学会“用时”。我们如何真正“用好时间”？
　　用户通过专用设备接收不同的授时信号，或者直接使用，或者用于校准他们的时间设备。各行各业对时间应用的精度需求各不相同，从秒级到毫秒级、微秒级、纳秒级、皮秒级、飞秒级、阿秒级不等，甚至还有10的-21次方的仄秒。比如，高铁的调度管理需要秒级精度；广播电视的发播控制需要毫秒级精度；电网的时间同步和故障定位，以及4G通信的基站同步需要微秒级精度，5G对时间同步的要求就更高了；卫星导航需要纳秒级精度；广义相对论验证、引力波探测等一些前沿科学需要阿秒量级，甚至更高的时间测量精度。
　　在卫星导航中，1纳秒的时间误差，也就是十亿分之一秒的误差，将导致30厘米的定位误差。我们很多人都知道，前几年，欧洲科学家爆出的一个“超光速”，违背狭义相对论的大乌龙事件，其原因就是实验中存在着几十纳秒的时间误差。
　　时间的精度只有做不到，没有用不到。从古至今，人类追求时间精度的步伐从未停止，可以说，人类研究时间测量的过程也是人类社会进步的过程。目前，我国在探索着前瞻性的量子时间传递技术。
　　未来我们究竟还能多精准
　　社会的不断进步，对授时服务的空间范围，对授时服务的安全可靠，对授时服务精度以及应用便捷性等，都提出了越来越高的要求。那么，未来我们国家的授时系统能达到什么水平？
　　未来5年内，中国将建成世界上独一无二，空天地立体交叉的授时系统——这套系统主要由北斗卫星导航系统、中国空间站时间频率实验系统、地基长波授时系统和地基光纤授时系统四部分组成。它们星地结合，相互融合、相互增强、相互冗余，是统一溯源的有机整体。北斗卫星系统现在为全球范围内提供10纳秒量级的授时，空间站时间频率实验系统将为覆盖区域提供10皮秒量级的时间，地基长波授时系统在国土范围提供百纳秒量级授时，地基光纤授时系统的时间传递精度将高达百皮秒，也将是全世界精度最高、距离最长的光纤授时网。
　　这个系统建成后会给我们的生活带来哪些变化呢？这个立体交叉授时系统建成以后，北斗卫星导航系统的性能包括自主运行能力将会进一步提升，地面有线授时精度也将提升四到五个数量级，应用地面授时系统也可以实现高精度导航定位。同时，长距离、跨区域重大设施之间的时间同步精度也可以提高四到五个数量级，对科学研究和国家安全意义重大。对大众来说，数字通信将会更快捷，无人驾驶将会更安全等。
　　授时系统是支撑经济社会运行和国家安全的重大基础设施，服务能力体现着一个国家综合科技实力。国家利益拓展到哪里，我们的授时服务就到哪里，国家利益到了深海，我们的授时服务就到深海；国家利益到了火星，我们的授时服务就到火星！
　　（作者：张首刚，系中国科学院国家授时中心主任、首席科学家）