腳踏實(shí)地 仰望星空 把時(shí)間掌握在自己手里

  時(shí)間是我們?nèi)粘Ｉ钪杏玫米疃嗟臇|西，不同的人對(duì)時(shí)間的認(rèn)知也不一樣。那么時(shí)間到底是什么？

  在自然科學(xué)中，時(shí)間是標(biāo)準(zhǔn)事件發(fā)生瞬間和持續(xù)歷程的新的增加。這里面有兩個(gè)內(nèi)涵：一個(gè)是時(shí)間間隔，一個(gè)是時(shí)刻。這是兩個(gè)問(wèn)題。

  時(shí)間還有另外兩個(gè)重要特點(diǎn)。

  首先，它是目前所有物理量中測(cè)量精度最高的，比其他物理量高4~5個(gè)量級(jí)。測(cè)量是科技的基礎(chǔ)，一些物理量、物理因素和物理理論的檢驗(yàn)，都是設(shè)法通過(guò)時(shí)間和頻率的測(cè)量來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

  其次，時(shí)間是我們應(yīng)用最廣的物理量。平常我們都會(huì)看時(shí)間，了解當(dāng)下的時(shí)間。那么過(guò)去是怎么測(cè)時(shí)間的？抽一袋煙的時(shí)間、燃燒一炷香的時(shí)間，還有沙漏也可以用來(lái)測(cè)時(shí)間。這些方法測(cè)的是時(shí)間的間隔或一個(gè)事件的持續(xù)。

  除了測(cè)時(shí)間的間隔外，我們還測(cè)時(shí)刻。記錄太陽(yáng)在日晷上的投影方位測(cè)的就是時(shí)刻。時(shí)刻實(shí)際上反映地球運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，包括轉(zhuǎn)動(dòng)、角度、圖像等，它有確切的物理含義，如早晨、中午和晚上，等等。

  受其他星球的影響，地球的轉(zhuǎn)動(dòng)是不均勻的。怎樣才能測(cè)量更高精度的時(shí)間？

  上世紀(jì)50年代，基于量子物理基礎(chǔ)理論，人們研究出世界上第一個(gè)基于量子理論研究的時(shí)間測(cè)量?jī)x器，把時(shí)間的精度提高了2~3個(gè)量級(jí)。1967年，人們將“秒”的定義，從最初的天文定義改為原子鐘的定義，使測(cè)量更加準(zhǔn)確。

  之后，人們需要均勻的原子測(cè)量時(shí)間，還需要準(zhǔn)確反映空間物理意義的地球測(cè)量時(shí)間，于是便協(xié)調(diào)出一個(gè)時(shí)間——“協(xié)調(diào)世界時(shí)”，它是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間。這個(gè)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間是國(guó)際服務(wù)組織按照各國(guó)原子測(cè)量的數(shù)據(jù)和地球轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù)綜合計(jì)算出來(lái)的，是一個(gè)紙面的時(shí)間。

  我們應(yīng)用的時(shí)間是什么呢？是北京時(shí)間，它是一個(gè)真實(shí)的物理信號(hào)。1949年9月27日，中國(guó)人民政治協(xié)商會(huì)議第一屆全體會(huì)議通過(guò)決議，確定北京時(shí)間是中華人民共和國(guó)首都北京所在的時(shí)區(qū)（東8區(qū)）的中央經(jīng)線(xiàn)120度上的地方時(shí)。

  地方時(shí)是以太陽(yáng)在頭頂正上方的時(shí)間作為中午12點(diǎn)的時(shí)間。由于北京不在東經(jīng)經(jīng)線(xiàn)120度上，所以北京時(shí)間和北京地方時(shí)間相差14.5分鐘。在全國(guó)各大城市中，地方時(shí)和北京時(shí)間最接近的是杭州。

  國(guó)防、科研、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展需要的時(shí)間信號(hào)，是通過(guò)授時(shí)信號(hào)傳達(dá)的。授時(shí)就像教授傳授知識(shí)，首先教授自己得有知識(shí)。所以，我們必須有自己的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，產(chǎn)生時(shí)間信號(hào)，并把它保持下來(lái)，這就是“守時(shí)”。

  守時(shí)工作的目的，是把產(chǎn)生的時(shí)間發(fā)播出去，通過(guò)授時(shí)系統(tǒng)發(fā)播給不同的用戶(hù)使用。在我國(guó)，守時(shí)和授時(shí)的任務(wù)由總部在陜西的中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心（以下簡(jiǎn)稱(chēng)國(guó)家授時(shí)中心）承擔(dān)。也就是說(shuō)，國(guó)家授時(shí)中心擔(dān)負(fù)著我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間產(chǎn)生的任務(wù)。

  我通過(guò)我國(guó)守時(shí)和授時(shí)技術(shù)發(fā)展中的一些故事，談?wù)劵A(chǔ)研究和自主創(chuàng)新的重要性。

  我國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間產(chǎn)生系統(tǒng)建立于上世紀(jì)80年代，但直到本世紀(jì)初，主要或核心設(shè)備，包括地球轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)間測(cè)量信息數(shù)據(jù)等仍依賴(lài)國(guó)外。2005年，我回國(guó)完成了世界上第一臺(tái)最高精度的噴泉鐘的性能改善后，受中國(guó)科學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)的指派來(lái)到陜西，目的是自主研制我國(guó)授時(shí)系統(tǒng)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間產(chǎn)生系統(tǒng)。

  那時(shí)的條件非常艱苦，因?yàn)閲?guó)家授時(shí)中心沒(méi)有做原子鐘的基礎(chǔ)，甚至整個(gè)陜西都沒(méi)有從事冷原子研究的人。我們克服困難、迎難而上、從零開(kāi)始，從只有一個(gè)人，逐漸發(fā)展到目前擁有一支100多人的研究隊(duì)伍，并產(chǎn)生了國(guó)家授時(shí)中心僅有的兩位“杰青”。我們研制成功了系列新型原子鐘，滿(mǎn)足了國(guó)家發(fā)展的需要。下面我簡(jiǎn)單介紹幾段自主創(chuàng)新的經(jīng)歷。

  守時(shí)鐘是上世紀(jì)50年代科學(xué)家基于量子物理研究的一款測(cè)量?jī)x器，一直到2017年，這種原子鐘仍是世界各國(guó)用于授時(shí)的主要儀器，但國(guó)外對(duì)中國(guó)實(shí)行限售。

  2011年，我國(guó)未雨綢繆，開(kāi)始研制新型激光抽運(yùn)小銫鐘。小銫鐘的性能比國(guó)外的產(chǎn)品還好，目前已形成系列產(chǎn)品，裝備于我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間系統(tǒng)，如海軍導(dǎo)航、北斗導(dǎo)航、5G通信、電力系統(tǒng)等，也保障了北極科考的順利開(kāi)展，并實(shí)現(xiàn)出口歐洲。這臺(tái)小銫鐘是世界上第二臺(tái)對(duì)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間作出貢獻(xiàn)的原子鐘，也是我國(guó)第一臺(tái)對(duì)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間作出貢獻(xiàn)的小銫鐘。

  原子鐘的技術(shù)不斷發(fā)展，如美國(guó)研制出銣原子噴泉守時(shí)鐘。2022年，我們打破相關(guān)技術(shù)封鎖，研制成功銣原子噴泉鐘這種新型的守時(shí)原子鐘，參加了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的守時(shí)工作，并在2022年10月、11月對(duì)國(guó)際原子時(shí)作出貢獻(xiàn)，使我國(guó)成為繼美國(guó)之后第二個(gè)成功研制銣原子噴泉守時(shí)鐘的國(guó)家。

  校準(zhǔn)守時(shí)鐘產(chǎn)生的均勻時(shí)間需要用到基準(zhǔn)鐘。目前，世界上性能最好的基準(zhǔn)鐘是銫原子噴泉鐘。在這一領(lǐng)域，我們也打破了相關(guān)技術(shù)封鎖，研制出利用激光、通過(guò)光梳產(chǎn)生微波源來(lái)代替晶振從而改善原子噴泉鐘性能的技術(shù)，研制出準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度居世界第三的銫原子噴泉基準(zhǔn)鐘。如此一來(lái)，我國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間可以不再受外界干擾，能夠自主地保持標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的準(zhǔn)確性。

  有了原子時(shí)，我們還需要天文時(shí)間。上世紀(jì)90年代之前，我國(guó)有獨(dú)立自主的天文時(shí)間測(cè)量系統(tǒng)。但之后，鑒于國(guó)際上進(jìn)行聯(lián)測(cè)，我國(guó)就放棄了自主測(cè)量。近十幾年來(lái)，在我國(guó)一些重大任務(wù)推進(jìn)的關(guān)鍵時(shí)刻，常常無(wú)法獲取和下載國(guó)際的世界時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)。為解決這個(gè)問(wèn)題，我們利用我國(guó)有限的地域空間資源，提出以多技術(shù)解決不同的性能問(wèn)題，如甚長(zhǎng)基線(xiàn)干涉問(wèn)題、精度問(wèn)題、連續(xù)問(wèn)題、可靠性問(wèn)題等，建立了我國(guó)獨(dú)立自主的世界時(shí)測(cè)量系統(tǒng)，化解了一些重大風(fēng)險(xiǎn)。

  有了世界時(shí)測(cè)量的天文時(shí)間，我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的性能又如何呢？ 

  國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間是全世界的原子鐘數(shù)據(jù)和地球轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù)的集成或者最后統(tǒng)一的一個(gè)計(jì)算結(jié)果。每天，全世界代表不同國(guó)家和地區(qū)的97個(gè)實(shí)驗(yàn)室的守時(shí)鐘都在工作，五六百臺(tái)守時(shí)鐘通過(guò)衛(wèi)星的對(duì)比后再統(tǒng)一計(jì)算，共同產(chǎn)生一個(gè)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間。國(guó)際上要求每個(gè)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的偏差是多大？100納秒。目前，我國(guó)已經(jīng)進(jìn)入了百納秒，全世界達(dá)到這一水平的國(guó)家只有三個(gè)。所以說(shuō)，我國(guó)整體國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間產(chǎn)生的能力和水平排名世界前三。這不僅代表技術(shù)水平先進(jìn)，還意味著中國(guó)產(chǎn)生的時(shí)間影響著全世界的時(shí)間。換句話(huà)說(shuō)，我國(guó)在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間產(chǎn)生上的話(huà)語(yǔ)權(quán)比較重。

  原子鐘的技術(shù)在不斷發(fā)展。2022年10月31日15時(shí)37分，夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙載著高精度時(shí)頻實(shí)驗(yàn)柜在中國(guó)文昌航天發(fā)射場(chǎng)成功發(fā)射升空。高精度時(shí)頻實(shí)驗(yàn)柜是中國(guó)空間站中最復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)柜，由13臺(tái)單機(jī)組成，其中包含全球首臺(tái)空間光鐘、全球首臺(tái)空間超窄線(xiàn)寬激光器、全球首臺(tái)空間飛秒光梳、全球首套具有微波和激光雙鏈路的低軌航天器天地時(shí)間頻率比對(duì)系統(tǒng)等。這不僅是一個(gè)國(guó)際領(lǐng)先的科學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，還是一個(gè)工程系統(tǒng)，與北斗系統(tǒng)有融接和聯(lián)合，能夠推動(dòng)北斗性能的自主提升。

  前面我們說(shuō)到守住時(shí)間，守時(shí)的目的是產(chǎn)生時(shí)間，最終的目的是把時(shí)間發(fā)送出去，把國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間傳遞給用戶(hù)。

  上世紀(jì)60年代，蘇聯(lián)曾想和我國(guó)聯(lián)合建立授時(shí)系統(tǒng)，但涉及到系統(tǒng)將來(lái)由誰(shuí)運(yùn)維的問(wèn)題。隨著國(guó)際環(huán)境發(fā)生微妙變化，我國(guó)獨(dú)立建設(shè)自己的授時(shí)系統(tǒng)的工作被提上日程。

  在當(dāng)時(shí)缺技術(shù)、缺人才、缺經(jīng)驗(yàn)的情況下，中國(guó)授時(shí)人從國(guó)家需求出發(fā)，在陜西蒲城開(kāi)始建設(shè)我國(guó)的短波授時(shí)系統(tǒng)。建設(shè)者大都是來(lái)自國(guó)內(nèi)各個(gè)天文臺(tái)的相關(guān)工作者，還有一些是剛從大學(xué)畢業(yè)的學(xué)生。他們?cè)谶@個(gè)異常偏遠(yuǎn)、生活十分艱苦的地方，一磚一瓦一石地逐步建設(shè)起我國(guó)第一個(gè)獨(dú)立自主的短波授時(shí)系統(tǒng)。

  隨著空間技術(shù)的發(fā)展，尤其是武器裝備和衛(wèi)星發(fā)射的需要，短波授時(shí)已經(jīng)不能滿(mǎn)足國(guó)家經(jīng)濟(jì)社會(huì)建設(shè)的需要，急需建設(shè)一個(gè)精度更高的長(zhǎng)波授時(shí)系統(tǒng)。

  在技術(shù)方案論證過(guò)程中，錢(qián)學(xué)森先生表示，我們要建一個(gè)長(zhǎng)波授時(shí)臺(tái)，代號(hào)為“3262”。建設(shè)的目的不僅是當(dāng)時(shí)國(guó)家科委的要求和尖端技術(shù)的需要，而且與自然科學(xué)乃至整個(gè)科學(xué)發(fā)展都有關(guān)系，要建一個(gè)全國(guó)都能看見(jiàn)、都能使用的“大鐘”。

  在當(dāng)時(shí)極為復(fù)雜的國(guó)際環(huán)境下，國(guó)家集中全國(guó)力量、調(diào)動(dòng)各種資源，一起攻堅(jiān)奮戰(zhàn)，終于建成了我國(guó)的長(zhǎng)波授時(shí)系統(tǒng)。1976年，小功率實(shí)驗(yàn)臺(tái)建成；1982年，大功率長(zhǎng)波授時(shí)臺(tái)建成；1985年7月1日，大功率長(zhǎng)波授時(shí)臺(tái)全功率試播，并于次年通過(guò)由國(guó)家科委主持的國(guó)家級(jí)技術(shù)鑒定。

  經(jīng)過(guò)60多年的發(fā)展，不管是無(wú)線(xiàn)的、有線(xiàn)的，長(zhǎng)波的、短波的，地面的、衛(wèi)星的，我國(guó)已經(jīng)建成了全球最完整的授時(shí)體系框架�？赡軙�(huì)有人問(wèn)，建設(shè)這么多授時(shí)手段有必要嗎？確實(shí)很有必要。因?yàn)椴煌脩?hù)對(duì)授時(shí)信號(hào)的接收是不一樣的，有時(shí)動(dòng)態(tài)、有時(shí)靜態(tài)，有些需要精度低、有些需要精度高。對(duì)一些特殊因素，我們必須用兩到三種以上手段來(lái)保障其用時(shí)需要。

  我國(guó)的授時(shí)系統(tǒng)效果如何？我可以很驕傲地說(shuō)，這個(gè)授時(shí)系統(tǒng)能較好地支持我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的運(yùn)行，較好地保障國(guó)家安全，同時(shí)支撐諸多科學(xué)研究工作。

  “十三五”期間，國(guó)家部署了一批重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，其中一個(gè)就是高精度地基授時(shí)系統(tǒng)。高精度地基授時(shí)系統(tǒng)是要建設(shè)世界上最長(zhǎng)的光纖授時(shí)系統(tǒng)，把省會(huì)城市和重要設(shè)施連接起來(lái)。系統(tǒng)建成后，通過(guò)光纖傳遞頻率信號(hào)，精度最高達(dá)到10-19，時(shí)間的同步精度將會(huì)優(yōu)于100皮秒，成為最先進(jìn)的光纖時(shí)間傳遞網(wǎng)。

  此外，我們還將完善我國(guó)的常規(guī)數(shù)據(jù)信號(hào)覆蓋，希望建成世界上獨(dú)一無(wú)二、立體交叉的國(guó)家授時(shí)體系。當(dāng)然，我們的服務(wù)目標(biāo)還不止于此，還需要把衛(wèi)星上的射電資源，包括一些自然天體資源都充分利用起來(lái)，建立一個(gè)立體交叉的、多系統(tǒng)融合的、立體抗打擊的國(guó)家授時(shí)系統(tǒng)。

  時(shí)間研究是值得一輩子去做的工作，也是一輩子都做不完的工作，希望更多青年學(xué)子能夠有志于參加時(shí)間的研究工作。■

（作者系中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心主任、研究員，見(jiàn)習(xí)記者嚴(yán)濤根據(jù)其在第十四屆創(chuàng)新中國(guó)論壇主論壇上的報(bào)告整理）