中國科學院國家授時中心主任、首席科學家張首剛（中）在空間窄線寬激光實驗室與科研團隊成員交流。新華社發

中科院國家授時中心守時實驗室顯示的北京時間。新華社發

　　什么是時間？在自然科學中，時間是標注事件發生瞬間和持續歷程的一個基本物理量，應用在國計民生的方方面面，是應用最廣的物理量，也是目前測量精度最高的物理量。因此，世界上大多數國家都有自己的標準時間。像法國的巴黎時間、德國的柏林時間、日本的東京時間、中國的北京時間。

　　那么，什么是北京時間呢？甘肅省敦煌正在建立的敦煌授時臺又意味著什么？帶著這些問題，本期我們聊聊有關時間的事兒。

　　“北京時間”究竟是什么

　　全世界的時間采用區時制，我們按照地理經度把全球劃分為24個時區，每個時區以其中央經線所在的地方時作為該時區的標準時間。那么問題就來了，我們國家幅員遼闊，橫跨5個時區，為了統一管理以及方便人們的日常生活，需要定義一個全國通用的標準時間，以哪一個時區的時間作為全國的標準時間呢？

　　1949年9月，在中國人民政治協商會議第一屆全體會議上，確定了新中國的標準時間是首都北京所在的東八區區時，即東經120度經線所在的地方時。因此，“北京時間”就有了明確的定義。實際上，世界上大多數國家都以首都所在時區的區時作為整個國家的標準時間。

　　告訴大家一個有趣的事實，那就是北京市的地方時，也就是北京市當地時間，與北京時間有一定的差異。在北京市，太陽在人們頭頂正上方的時間不是北京時間中午十二點，而是十二點一刻左右。這是因為北京的地理經度為東經116°21′，并不是東經120度，經度每差一度，時間就差4分鐘。同理“北京時間”的產生地西安，西安的地方時比“北京時間”晚了大約44分鐘，蘭州的地方時比“北京時間”晚了大約1小時零5分鐘。地方時與“北京時間”最接近的省會城市是杭州。

　　“時間”的歷史

　　如果問大家，現在幾點了？估計很多人都會去看手表或者手機。那么，在古代，人們是如何知道時間的？

　　古時，人們“日出而作，日入而息”，我們的祖先很早就以太陽升落和高低來判斷時間，安排生產生活。圭表是最早的天文測量儀器之一，它是通過觀測太陽投影的長短來測節氣、定農時，它也可以用來測定一天正午的時刻。圭表后來逐漸演變成我們較為熟悉的日晷，它以太陽投影的方位來指示時間。

　　我國古代計時有一種計時工具叫香鐘，通過香的燃燒來計時。一炷香的時間就是從這兒來的。如果告訴大家，時間還可以用秤來稱，估計很多人不信。我國南北朝時期，有一種計時工具叫“秤漏”。它有一個盛滿水的大桶，通過一根細管把大桶的水引入另一個小水桶中。隨著時間流逝，小桶里的水量逐漸增加。把小木桶掛在秤鉤上，通過稱它的重量就實現了時間測量?，F在我們知道，它利用的是虹吸原理。虹吸過程中，水流有較好的均勻性，秤漏的計時精度也就相對較高。

　　我們看到的日月星辰每天東升西落，其原因是地球在自轉。相對穩定的自轉特性使地球成為一面天然的大鐘。天空的恒星好比鐘面上的刻度，天文學家使用的望遠鏡或者其他觀星儀器好比鐘面上的指針。當望遠鏡對準某顆恒星時，我們就知道了它指示的準確時刻（看上去“指針”不動，“鐘面”在轉動），這種方法測定的時間叫做“世界時”。世界時的一天就是太陽兩次過頭頂的時間間隔，而一秒則是一天的1/86400。（24小時乘以60分乘以60秒）

　　那么，今天我們為什么需要更精確的時鐘呢？為什么要用原子鐘？由于地球自轉速率受月球等天體攝動的影響（存在著潮汐現象），以及天文觀測的技術能力限制，世界時的測量只能達到毫秒量級，遠不能滿足人類發展航天技術、精密測地等需求。人們在努力尋找更加穩定的周期運動來測量時間。隨著量子力學的發展，實驗發現一些分子和原子內部的量子躍遷能夠產生周期非常穩定的信號，非常適合時間測量，于是人們就開始研制原子鐘，原子鐘也成了人類最早應用量子力學研制的測量儀器。

　　世界上第一臺氨分子鐘和銫原子鐘分別誕生于1948年和1955年。原子鐘的應用把當時的時間測量精度提高了2-3個量級。原子鐘有不同類型，其用途也各不相同。比如守時型原子鐘、基準型原子鐘、北斗導航衛星上的星載鐘以及儀器里的芯片大小微型原子鐘。

　　原子鐘是非常精密的儀器，研制難度大。70多年來，在科研人員的不斷努力下，原子鐘精度平均每10年提高一個量級（就是10倍）。

　　有了原子時，我們就不需要世界時嗎？不是這樣的! “北京時間”是原子時和世界時共同“協調”產生的。

　　“原子時”和“世界時”

　　我們知道，時間有兩個內涵，一個是時刻，一個是時間間隔。比如我們通知會議“明天上午8點開會，會期半天”，會議開始時間就是時刻，會期就是時間間隔。我們知道了，原子鐘提供原子時，十分穩定，用于測量時間間隔，但是它沒有確切的時刻含義。然而，世界時則相反，它的秒長不夠穩定，但是它的時刻對應著太陽在天空中的特定位置，反映著地球在空間自轉角度的變化，與地極坐標等一起構成地球定向參數，世界時與人們日常生活密切相關。我們熟知的大地測量、天文觀測、飛行器跟蹤定位，以及戰略武器試驗等都需要世界時。世界時具有重要應用價值，而一些精密物理測量研究則需要穩定的原子時。在應用需求上，這形成了一對矛盾。

　　1958年1月1日0時，科學家把 “原子時”和“世界時”對準，同時開始運行。但隨著時間的推移，兩者差異越來越大，主要是因為潮汐作用的影響等，地球自轉速率長期變慢。為了解決這一問題，人們引入另外一種非常重要的時間尺度，叫“協調世界時”，它利用原子時的均勻性，采用原子時的“秒長”，而在“時刻”上盡量靠近世界時。當它與世界時的偏差接近0.9秒時，全世界在同一時間，統一對協調世界時進行加1秒或減1秒的調整，這就是我們所說的“閏秒”。1972年，協調世界時正式成為國際標準時間。

　　全球不同國家和地區的90個守時實驗室，有500多臺守時型原子鐘，每天通過衛星進行時間比對。國際權度局根據每個原子鐘的性能，利用專門的算法計算得到一個穩定的自由原子時，再通過運行在部分守時實驗室的十幾臺基準型原子鐘，其中主要是銫原子噴泉鐘，對這個自由原子時進行校準，形成既穩定又準確的國際原子時數據。然后再根據國際地球自轉服務組織提供的世界時測量數據，對國際原子時進行閏秒調整，形成了國際標準時間，即協調世界時。

　　我們有了國際標準時間，我們為什么還要產生我們自己的北京時間？那是因為國際標準時間不是一個實際的物理信號，是滯后一個月發布的一個紙面數據。而我們需要的是真正能實時應用的實際物理信號。所以北京時間應該是國際標準時間在中國的一個具體實現，是中國版的協調世界時。

　　北京時間的產生是國家授時中心使用了40多臺不同性能的守時型原子鐘，綜合產生連續穩定的原子時，利用銫原子噴泉基準鐘對其進行校準。按照國際統一部署對其進行閏秒，與世界時進行協調，形成我國的標準時間，即北京時間。我們的原子鐘每天參與國際比對，正常情況下，我們應用滯后1個月的反饋數據進行校準，這樣實現了北京時間與國際標準時間的一致性，專業上稱“時間溯源”。其實，各國標準時間都是這樣產生的。

　　我國自主研發的原子鐘

　　北京時間產生的核心設備是原子鐘和世界時測量系統。其中，原子鐘分為兩類，一類叫守時型原子鐘，另一類叫基準型原子鐘。守時型原子鐘性能相對較低，但是，其環境適應性較強，能夠常年連續可靠運行，用于連續產生和記錄時間信號，也就是我們說的守時。一定數量守時型原子鐘的使用不僅確保了時間信號產生的可靠性，還確保了其連續性和穩定性。

　　各國的標準時間都需要進行國際比對，正常情況下，國際權度局一個月給出一個結果，我們用它來校準北京時間。如果國際比對鏈路中斷，我們的時間就可能會出現誤差。因此需要一臺比守時原子鐘更精準、能夠連續運行15天以上的基準鐘，實現對北京時間的自主校準。

　　目前，國際上的基準鐘是基于激光冷卻和囚禁理論實現的銫原子噴泉鐘。在噴泉鐘里，銫原子的運動就像我們平?？吹降膰娙粯?。原子內部有不同的能級，當原子在兩個能級間躍遷時，將吸收或釋放固定頻率的電磁波。在六束激光作用下，把自由運動速度較大的原子減速降溫，并聚集成原子團。原子團在激光作用下作自由上拋運動，上升和下落過程中，與外加電磁場發生兩次作用，原子在兩個能級間發生躍遷，我們通過調整和控制外界電磁場振蕩頻率，使躍遷幾率始終保持最大，從而使得外加電磁場振蕩頻率和原子輻射或吸收電磁波頻率一樣。這樣原理的原子鐘一面世，相比原來的熱原子基準鐘性能提升了100倍。

　　2005年，中國科學院國家授時中心開始了原子鐘的研制工作。經過15年的不懈努力，我們成功研制了兩臺具有獨立知識產權的銫原子噴泉鐘。打破了國外超高細度光學腔的加工和鍍膜技術的壟斷，國際上第二家實現了超穩光生微波源系統。應用該新型微波系統，研制的銫原子噴泉鐘的性能位居世界前列。銫原子噴泉鐘的應用使北京時間有了自主的校準能力，保證了它的準確性。

　　2017年，國家授時中心聯合企業，一起實現了世界首款新型守時型原子鐘產品——激光抽運小銫鐘，已應用在北斗衛星導航系統、長河二號導航系統、5G通信系統以及北極科考等任務，也裝備在國家標準時間產生與保持系統，打破國外長期獨家壟斷。2021年11月，三臺激光抽運小銫鐘在國際標準時間計算中取得權重，并被國際權度局推薦給各國用于其標準時間的產生。

　　2020年，國家授時中心建立了基于數字天頂筒照相技術、甚長基線干涉技術和衛星測地技術等多手段融合的世界時測量系統，實現了世界時自主測量，服務于我國深空探測和國家標準時間產生等。

　　“北京時間”如何發播的

　　如何能夠把時間信號發送給不同地方用戶呢？這就需要授時?！笆跁r”由來已久，古代的“授時”通常是指授農時節令?！渡袝分杏羞@樣的記載：“乃命羲和，欽若昊天，歷象日月星辰，敬授人時”，意思是說帝堯委派官員，要他們恭敬地遵循天道，觀察推算日月星辰的運行規律，從而制定歷法，指導人們生產生活。在農耕時代，適時的播種和收割是關系著經濟收入和社會穩定的大事。至今，在北京建國門附近的古觀象臺，還懸掛著乾隆皇帝題寫的“觀象授時”牌匾。

　　在古代社會，鐘鼓樓應該是城市建設的標配，一般是位于市中心的最高建筑，通過晨鐘暮鼓進行報時。早晨的鐘聲和傍晚的鼓聲傳遍城市的每一個角落。我國許多城市至今還留存著古代的鐘樓和鼓樓，見證著授時的發展歷程。

　　在影視中常常能看到打更，更夫每天晚上要守著香鐘或者滴漏等，到了更時進行巡夜，并通過打梆子或敲鑼進行報時，這是我國古代的一種夜間報時制度。

　　現在與過去大不相同，現代授時手段是利用包括電話、網絡、光纖、無線電短波、無線電長波、無線電低頻時碼、衛星等有線和無線的傳播技術發播標準時間，滿足不同應用需求。

　　20世紀60年代，圍繞經濟建設和國防建設需求，我國在內陸腹地陜西蒲城建設了專用短波授時臺。短波授時（波長20-120米）主要依靠電離層反射來傳播時間信號，授時精度較低，在毫秒量級（也就是千分之一秒）。能夠滿足天文觀測、地震測量、電力調度等應用。

　　但是這樣的授時精度不能滿足“兩彈一星”、空間科學發展及其他應用需求，20世紀70年代初，國家授時中心負責建設了我國的長波授時系統（長波波長3公里），錢學森先生在1974年長波授時臺方案論證會上指出，建設長波授時臺就是要建全國統一的、高精度的一面大鐘。在全國相關科研單位和工業部門的共同努力下，20世紀80年代初，我國在陜西蒲城建成長波授時系統，授時精度達到微秒，即百萬分之一秒量級，比短波授時提高了1000倍。從此，我國授時技術水平進入世界先進行列。

　　本世紀初，我國建成了電話和網絡授時系統，在河南商丘還建設了另一種信號體制的長波授時臺，叫低頻時碼授時臺，向周圍1000公里范圍內發播授時信號。另外，國家授時中心還建立了基于通信衛星的授時系統。我國北斗全球衛星導航授時系統也于2021年7月正式開通服務，授時精度在10納秒量級?，F在，我國建立了比較完備的授時系統，用多種手段發播北京時間，較好地滿足了各行各業的不同需求。

　　我國正在建設“十三五”重大科技基礎設施——高精度地基授時系統。其中，敦煌授時臺以及授時監測站是該系統重要的組成部分，建成后將成為國際上功能最完善、性能最先進的地基授時系統中的重要節點，對提高我國授時系統的安全性和可靠性，以及授時精度和服務能力有著重要的價值。

　　精準授時跟生活有何聯系

　　有了“守時”和“授時”，還要學會“用時”。我們如何真正“用好時間”？

　　用戶通過專用設備接收不同的授時信號，或者直接使用，或者用于校準他們的時間設備。各行各業對時間應用的精度需求各不相同，從秒級到毫秒級、微秒級、納秒級、皮秒級、飛秒級、阿秒級不等，甚至還有10的-21次方的仄秒。比如，高鐵的調度管理需要秒級精度；廣播電視的發播控制需要毫秒級精度；電網的時間同步和故障定位，以及4G通信的基站同步需要微秒級精度，5G對時間同步的要求就更高了；衛星導航需要納秒級精度；廣義相對論驗證、引力波探測等一些前沿科學需要阿秒量級，甚至更高的時間測量精度。

　　在衛星導航中，1納秒的時間誤差，也就是十億分之一秒的誤差，將導致30厘米的定位誤差。我們很多人都知道，前幾年，歐洲科學家爆出的一個“超光速”，違背狹義相對論的大烏龍事件，其原因就是實驗中存在著幾十納秒的時間誤差。

　　時間的精度只有做不到，沒有用不到。從古至今，人類追求時間精度的步伐從未停止，可以說，人類研究時間測量的過程也是人類社會進步的過程。目前，我國在探索著前瞻性的量子時間傳遞技術。

　　未來我們究竟還能多精準

　　社會的不斷進步，對授時服務的空間范圍，對授時服務的安全可靠，對授時服務精度以及應用便捷性等，都提出了越來越高的要求。那么，未來我們國家的授時系統能達到什么水平？

　　未來5年內，中國將建成世界上獨一無二，空天地立體交叉的授時系統——這套系統主要由北斗衛星導航系統、中國空間站時間頻率實驗系統、地基長波授時系統和地基光纖授時系統四部分組成。它們星地結合，相互融合、相互增強、相互冗余，是統一溯源的有機整體。北斗衛星系統現在為全球范圍內提供10納秒量級的授時，空間站時間頻率實驗系統將為覆蓋區域提供10皮秒量級的時間，地基長波授時系統在國土范圍提供百納秒量級授時，地基光纖授時系統的時間傳遞精度將高達百皮秒，也將是全世界精度最高、距離最長的光纖授時網。

　　這個系統建成后會給我們的生活帶來哪些變化呢？這個立體交叉授時系統建成以后，北斗衛星導航系統的性能包括自主運行能力將會進一步提升，地面有線授時精度也將提升四到五個數量級，應用地面授時系統也可以實現高精度導航定位。同時，長距離、跨區域重大設施之間的時間同步精度也可以提高四到五個數量級，對科學研究和國家安全意義重大。對大眾來說，數字通信將會更快捷，無人駕駛將會更安全等。

　　授時系統是支撐經濟社會運行和國家安全的重大基礎設施，服務能力體現著一個國家綜合科技實力。國家利益拓展到哪里，我們的授時服務就到哪里，國家利益到了深海，我們的授時服務就到深海；國家利益到了火星，我們的授時服務就到火星！

　?。ㄗ髡撸簭埵讋?，系中國科學院國家授時中心主任、首席科學家）