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作者：张首刚 来源： 发布时间：2023-9-7 17:47:45
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时间是我们日常生活中用得最多的东西，不同的人对时间的认知也不一样。那么时间到底是什么？ 在自然科学中，时间是标准事件发生瞬间和持续历程的新的增加。这里面有两个内涵：一个是时间间隔，一个是时刻。这是两个问题。 时间还有另外两个重要特点。 首先，它是目前所有物理量中测量精度最高的，比其他物理量高4~5个量级。测量是科技的基础，一些物理量、物理因素和物理理论的检验，都是设法通过时间和频率的测量来实现的。 其次，时间是我们应用最广的物理量。平常我们都会看时间，了解当下的时间。那么过去是怎么测时间的？抽一袋烟的时间、燃烧一炷香的时间，还有沙漏也可以用来测时间。这些方法测的是时间的间隔或一个事件的持续。 除了测时间的间隔外，我们还测时刻。记录太阳在日晷上的投影方位测的就是时刻。时刻实际上反映地球运动的状态，包括转动、角度、图像等，它有确切的物理含义，如早晨、中午和晚上，等等。 受其他星球的影响，地球的转动是不均匀的。怎样才能测量更高精度的时间？ 上世纪50年代，基于量子物理基础理论，人们研究出世界上第一个基于量子理论研究的时间测量仪器，把时间的精度提高了2~3个量级。1967年，人们将“秒”的定义，从最初的天文定义改为原子钟的定义，使测量更加准确。 之后，人们需要均匀的原子测量时间，还需要准确反映空间物理意义的地球测量时间，于是便协调出一个时间——“协调世界时”，它是国际标准时间。这个国际标准时间是国际服务组织按照各国原子测量的数据和地球转动测量数据综合计算出来的，是一个纸面的时间。 我们应用的时间是什么呢？是北京时间，它是一个真实的物理信号。1949年9月27日，立博体育在线:人民政治协商会议第一届全体会议通过决议，确定北京时间是中华人民共和国首都北京所在的时区（东8区）的中央经线120度上的地方时。 地方时是以太阳在头顶正上方的时间作为中午12点的时间。由于北京不在东经经线120度上，所以北京时间和北京地方时间相差14.5分钟。在全国各大城市中，地方时和北京时间最接近的是杭州。 国防、科研、经济和社会发展需要的时间信号，是通过授时信号传达的。授时就像教授传授知识，首先教授自己得有知识。所以，我们必须有自己的标准时间，产生时间信号，并把它保持下来，这就是“守时”。 守时工作的目的，是把产生的时间发播出去，通过授时系统发播给不同的用户使用。在我国，守时和授时的任务由总部在陕西的立博体育在线:科学院国家授时中心（以下简称国家授时中心）承担。也就是说，国家授时中心担负着我国标准时间产生的任务。 我通过我国守时和授时技术发展中的一些故事，谈谈基础研究和自主创新的重要性。 我国的标准时间产生系统建立于上世纪80年代，但直到本世纪初，主要或核心设备，包括地球转动的时间测量信息数据等仍依赖国外。2005年，我回国完成了世界上第一台最高精度的喷泉钟的性能改善后，受立博体育在线:科学院领导的指派来到陕西，目的是自主研制我国授时系统和国家标准时间产生系统。 那时的条件非常艰苦，因为国家授时中心没有做原子钟的基础，甚至整个陕西都没有从事冷原子研究的人。我们克服困难、迎难而上、从零开始，从只有一个人，逐渐发展到目前拥有一支100多人的研究队伍，并产生了国家授时中心仅有的两位“杰青”。我们研制成功了系列新型原子钟，满足了国家发展的需要。下面我简单介绍几段自主创新的经历。 守时钟是上世纪50年代科学家基于量子物理研究的一款测量仪器，一直到2017年，这种原子钟仍是世界各国用于授时的主要仪器，但国外对立博体育在线:实行限售。 2011年，我国未雨绸缪，开始研制新型激光抽运小铯钟。小铯钟的性能比国外的产品还好，目前已形成系列产品，装备于我国标准时间系统，如海军导航、北斗导航、5G通信、电力系统等，也保障了北极科考的顺利开展，并实现出口欧洲。这台小铯钟是世界上第二台对国际标准时间作出贡献的原子钟，也是我国第一台对国际标准时间作出贡献的小铯钟。 原子钟的技术不断发展，如美国研制出铷原子喷泉守时钟。2022年，我们打破相关技术封锁，研制成功铷原子喷泉钟这种新型的守时原子钟，参加了国家标准时间的守时工作，并在2022年10月、11月对国际原子时作出贡献，使我国成为继美国之后第二个成功研制铷原子喷泉守时钟的国家。 校准守时钟产生的均匀时间需要用到基准钟。目前，世界上性能最好的基准钟是铯原子喷泉钟。在这一领域，我们也打破了相关技术封锁，研制出利用激光、通过光梳产生微波源来代替晶振从而改善原子喷泉钟性能的技术，研制出准确度和稳定度居世界第三的铯原子喷泉基准钟。如此一来，我国的标准时间可以不再受外界干扰，能够自主地保持标准时间的准确性。 有了原子时，我们还需要天文时间。上世纪90年代之前，我国有独立自主的天文时间测量系统。但之后，鉴于国际上进行联测，我国就放弃了自主测量。近十几年来，在我国一些重大任务推进的关键时刻，常常无法获取和下载国际的世界时测量数据。为解决这个问题，我们利用我国有限的地域空间资源，提出以多技术解决不同的性能问题，如甚长基线干涉问题、精度问题、连续问题、可靠性问题等，建立了我国独立自主的世界时测量系统，化解了一些重大风险。 有了世界时测量的天文时间，我国标准时间的性能又如何呢？ 国际标准时间是全世界的原子钟数据和地球转动测量数据的集成或者最后统一的一个计算结果。每天，全世界代表不同国家和地区的97个实验室的守时钟都在工作，五六百台守时钟通过卫星的对比后再统一计算，共同产生一个国际标准时间。国际上要求每个国家标准时间与国际标准时间的偏差是多大？100纳秒。目前，我国已经进入了百纳秒，全世界达到这一水平的国家只有三个。所以说，我国整体国家标准时间产生的能力和水平排名世界前三。这不仅代表技术水平先进，还意味着立博体育在线:产生的时间影响着全世界的时间。换句话说，我国在国际标准时间产生上的话语权比较重。 原子钟的技术在不断发展。2022年10月31日15时37分，梦天实验舱载着高精度时频实验柜在立博体育在线:文昌航天发射场成功发射升空。高精度时频实验柜是立博体育在线:空间站中最复杂的实验柜，由13台单机组成，其中包含全球首台空间光钟、全球首台空间超窄线宽激光器、全球首台空间飞秒光梳、全球首套具有微波和激光双链路的低轨航天器天地时间频率比对系统等。这不仅是一个国际领先的科学实验系统，还是一个工程系统，与北斗系统有融接和联合，能够推动北斗性能的自主提升。 前面我们说到守住时间，守时的目的是产生时间，最终的目的是把时间发送出去，把国家标准时间传递给用户。 上世纪60年代，苏联曾想和我国联合建立授时系统，但涉及到系统将来由谁运维的问题。随着国际环境发生微妙变化，我国独立建设自己的授时系统的工作被提上日程。 在当时缺技术、缺人才、缺经验的情况下，立博体育在线:授时人从国家需求出发，在陕西蒲城开始建设我国的短波授时系统。建设者大都是来自国内各个天文台的相关工作者，还有一些是刚从大学毕业的学生。他们在这个异常偏远、生活十分艰苦的地方，一砖一瓦一石地逐步建设起我国第一个独立自主的短波授时系统。 随着空间技术的发展，尤其是武器装备和卫星发射的需要，短波授时已经不能满足国家经济社会建设的需要，急需建设一个精度更高的长波授时系统。 在技术方案论证过程中，钱学森先生表示，我们要建一个长波授时台，代号为“3262”。建设的目的不仅是当时国家科委的要求和尖端技术的需要，而且与自然科学乃至整个科学发展都有关系，要建一个全国都能看见、都能使用的“大钟”。 在当时极为复杂的国际环境下，国家集中全国力量、调动各种资源，一起攻坚奋战，终于建成了我国的长波授时系统。1976年，小功率实验台建成；1982年，大功率长波授时台建成；1985年7月1日，大功率长波授时台全功率试播，并于次年通过由国家科委主持的国家级技术鉴定。 经过60多年的发展，不管是无线的、有线的，长波的、短波的，地面的、卫星的，我国已经建成了全球最完整的授时体系框架。可能会有人问，建设这么多授时手段有必要吗？确实很有必要。因为不同用户对授时信号的接收是不一样的，有时动态、有时静态，有些需要精度低、有些需要精度高。对一些特殊因素，我们必须用两到三种以上手段来保障其用时需要。 我国的授时系统效果如何？我可以很骄傲地说，这个授时系统能较好地支持我国经济社会的运行，较好地保障国家安全，同时支撑诸多科学研究工作。 “十三五”期间，国家部署了一批重大科技基础设施，其中一个就是高精度地基授时系统。高精度地基授时系统是要建设世界上最长的光纤授时系统，把省会城市和重要设施连接起来。系统建成后，通过光纤传递频率信号，精度最高达到10-19，时间的同步精度将会优于100皮秒，成为最先进的光纤时间传递网。 此外，我们还将完善我国的常规数据信号覆盖，希望建成世界上独一无二、立体交叉的国家授时体系。当然，我们的服务目标还不止于此，还需要把卫星上的射电资源，包括一些自然天体资源都充分利用起来，建立一个立体交叉的、多系统融合的、立体抗打击的国家授时系统。 时间研究是值得一辈子去做的工作，也是一辈子都做不完的工作，希望更多青年学子能够有志于参加时间的研究工作。■ （作者系立博体育在线:科学院国家授时中心主任、研究员，见习记者严涛根据其在第十四届创新立博体育在线:论坛主论坛上的报告整理）
《科学新闻》 (科学新闻2023年6月刊 封面)
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