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| 腳踏實(shí)地 仰望星空 把時間掌握在自己手里 |
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時間是我們?nèi)粘Ｉ钪杏玫米疃嗟臇|西，不同的人對時間的認(rèn)知也不一樣。那么時間到底是什么？
在自然科學(xué)中，時間是標(biāo)準(zhǔn)事件發(fā)生瞬間和持續(xù)歷程的新的增加。這里面有兩個內(nèi)涵：一個是時間間隔，一個是時刻。這是兩個問題。
時間還有另外兩個重要特點(diǎn)。
首先，它是目前所有物理量中測量精度最高的，比其他物理量高4~5個量級。測量是科技的基礎(chǔ)，一些物理量、物理因素和物理理論的檢驗(yàn)，都是設(shè)法通過時間和頻率的測量來實(shí)現(xiàn)的。
其次，時間是我們應(yīng)用最廣的物理量。平常我們都會看時間，了解當(dāng)下的時間。那么過去是怎么測時間的？抽一袋煙的時間、燃燒一炷香的時間，還有沙漏也可以用來測時間。這些方法測的是時間的間隔或一個事件的持續(xù)。
除了測時間的間隔外，我們還測時刻。記錄太陽在日晷上的投影方位測的就是時刻。時刻實(shí)際上反映地球運(yùn)動的狀態(tài)，包括轉(zhuǎn)動、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)動是不均勻的。怎樣才能測量更高精度的時間？
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基于量子理論研究的時間測量儀器，把時間的精度提高了2~3個量級。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，使測量更加準(zhǔn)確。
之后，人們需要均勻的原子測量時間，還需要準(zhǔn)確反映空間物理意義的地球測量時間，于是便協(xié)調(diào)出一個時間——“協(xié)調(diào)世界時”，它是國際標(biāo)準(zhǔn)時間。這個國際標(biāo)準(zhǔn)時間是國際服務(wù)組織按照各國原子測量的數(shù)據(jù)和地球轉(zhuǎn)動測量數(shù)據(jù)綜合計(jì)算出來的，是一個紙面的時間。
我們應(yīng)用的時間是什么呢？是北京時間，它是一個真實(shí)的物理信號。1949年9月27日，中國人民政治協(xié)商會議第一屆全體會議通過決議，確定北京時間是中華人民共和國首都北京所在的時區(qū)（東8區(qū)）的中央經(jīng)線120度上的地方時。
地方時是以太陽在頭頂正上方的時間作為中午12點(diǎn)的時間。由于北京不在東經(jīng)經(jīng)線120度上，所以北京時間和北京地方時間相差14.5分鐘。在全國各大城市中，地方時和北京時間最接近的是杭州。
國防、科研、經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展需要的時間信號，是通過授時信號傳達(dá)的。授時就像教授傳授知識，首先教授自己得有知識。所以，我們必須有自己的標(biāo)準(zhǔn)時間，產(chǎn)生時間信號，并把它保持下來，這就是“守時”。
守時工作的目的，是把產(chǎn)生的時間發(fā)播出去，通過授時系統(tǒng)發(fā)播給不同的用戶使用。在我國，守時和授時的任務(wù)由總部在陜西的中國科學(xué)院國家授時中心（以下簡稱國家授時中心）承擔(dān)。也就是說，國家授時中心擔(dān)負(fù)著我國標(biāo)準(zhǔn)時間產(chǎn)生的任務(wù)。
我通過我國守時和授時技術(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。
我國的標(biāo)準(zhǔn)時間產(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)動的時間測量信息數(shù)據(jù)等仍依賴國外。2005年，我回國完成了世界上第一臺最高精度的噴泉鐘的性能改善后，受中國科學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)的指派來到陜西，目的是自主研制我國授時系統(tǒng)和國家標(biāo)準(zhǔn)時間產(chǎn)生系統(tǒng)。
那時的條件非常艱苦，因?yàn)閲沂跁r中心沒有做原子鐘的基礎(chǔ)，甚至整個陜西都沒有從事冷原子研究的人。我們克服困難、迎難而上、從零開始，從只有一個人，逐漸發(fā)展到目前擁有一支100多人的研究隊(duì)伍，并產(chǎn)生了國家授時中心僅有的兩位“杰青”。我們研制成功了系列新型原子鐘，滿足了國家發(fā)展的需要。下面我簡單介紹幾段自主創(chuàng)新的經(jīng)歷。
守時鐘是上世紀(jì)50年代科學(xué)家基于量子物理研究的一款測量儀器，一直到2017年，這種原子鐘仍是世界各國用于授時的主要儀器，但國外對中國實(shí)行限售。
2011年，我國未雨綢繆，開始研制新型激光抽運(yùn)小銫鐘。小銫鐘的性能比國外的產(chǎn)品還好，目前已形成系列產(chǎn)品，裝備于我國標(biāo)準(zhǔn)時間系統(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展，并實(shí)現(xiàn)出口歐洲。這臺小銫鐘是世界上第二臺對國際標(biāo)準(zhǔn)時間作出貢獻(xiàn)的原子鐘，也是我國第一臺對國際標(biāo)準(zhǔn)時間作出貢獻(xiàn)的小銫鐘。
原子鐘的技術(shù)不斷發(fā)展，如美國研制出銣原子噴泉守時鐘。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原子鐘，參加了國家標(biāo)準(zhǔn)時間的守時工作，并在2022年10月、11月對國際原子時作出貢獻(xiàn)，使我國成為繼美國之后第二個成功研制銣原子噴泉守時鐘的國家。
校準(zhǔn)守時鐘產(chǎn)生的均勻時間需要用到基準(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、通過光梳產(chǎn)生微波源來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，我國的標(biāo)準(zhǔn)時間可以不再受外界干擾，能夠自主地保持標(biāo)準(zhǔn)時間的準(zhǔn)確性。
有了原子時，我們還需要天文時間。上世紀(jì)90年代之前，我國有獨(dú)立自主的天文時間測量系統(tǒng)。但之后，鑒于國際上進(jìn)行聯(lián)測，我國就放棄了自主測量。近十幾年來，在我國一些重大任務(wù)推進(jìn)的關(guān)鍵時刻，常常無法獲取和下載國際的世界時測量數(shù)據(jù)。為解決這個問題，我們利用我國有限的地域空間資源，提出以多技術(shù)解決不同的性能問題，如甚長基線干涉問題、精度問題、連續(xù)問題、可靠性問題等，建立了我國獨(dú)立自主的世界時測量系統(tǒng)，化解了一些重大風(fēng)險。
有了世界時測量的天文時間，我國標(biāo)準(zhǔn)時間的性能又如何呢？
國際標(biāo)準(zhǔn)時間是全世界的原子鐘數(shù)據(jù)和地球轉(zhuǎn)動測量數(shù)據(jù)的集成或者最后統(tǒng)一的一個計(jì)算結(jié)果。每天，全世界代表不同國家和地區(qū)的97個實(shí)驗(yàn)室的守時鐘都在工作，五六百臺守時鐘通過衛(wèi)星的對比后再統(tǒng)一計(jì)算，共同產(chǎn)生一個國際標(biāo)準(zhǔn)時間。國際上要求每個國家標(biāo)準(zhǔn)時間與國際標(biāo)準(zhǔn)時間的偏差是多大？100納秒。目前，我國已經(jīng)進(jìn)入了百納秒，全世界達(dá)到這一水平的國家只有三個。所以說，我國整體國家標(biāo)準(zhǔn)時間產(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)，還意味著中國產(chǎn)生的時間影響著全世界的時間。換句話說，我國在國際標(biāo)準(zhǔn)時間產(chǎn)生上的話語權(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37分，夢天實(shí)驗(yàn)艙載著高精度時頻實(shí)驗(yàn)柜在中國文昌航天發(fā)射場成功發(fā)射升空。高精度時頻實(shí)驗(yàn)柜是中國空間站中最復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)柜，由13臺單機(jī)組成，其中包含全球首臺空間光鐘、全球首臺空間超窄線寬激光器、全球首臺空間飛秒光梳、全球首套具有微波和激光雙鏈路的低軌航天器天地時間頻率比對系統(tǒng)等。這不僅是一個國際領(lǐng)先的科學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，還是一個工程系統(tǒng)，與北斗系統(tǒng)有融接和聯(lián)合，能夠推動北斗性能的自主提升。
前面我們說到守住時間，守時的目的是產(chǎn)生時間，最終的目的是把時間發(fā)送出去，把國家標(biāo)準(zhǔn)時間傳遞給用戶。
上世紀(jì)60年代，蘇聯(lián)曾想和我國聯(lián)合建立授時系統(tǒng)，但涉及到系統(tǒng)將來由誰運(yùn)維的問題。隨著國際環(huán)境發(fā)生微妙變化，我國獨(dú)立建設(shè)自己的授時系統(tǒng)的工作被提上日程。
在當(dāng)時缺技術(shù)、缺人才、缺經(jīng)驗(yàn)的情況下，中國授時人從國家需求出發(fā)，在陜西蒲城開始建設(shè)我國的短波授時系統(tǒng)。建設(shè)者大都是來自國內(nèi)各個天文臺的相關(guān)工作者，還有一些是剛從大學(xué)畢業(yè)的學(xué)生。他們在這個異常偏遠(yuǎn)、生活十分艱苦的地方，一磚一瓦一石地逐步建設(shè)起我國第一個獨(dú)立自主的短波授時系統(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，短波授時已經(jīng)不能滿足國家經(jīng)濟(jì)社會建設(shè)的需要，急需建設(shè)一個精度更高的長波授時系統(tǒng)。
在技術(shù)方案論證過程中，錢學(xué)森先生表示，我們要建一個長波授時臺，代號為“3262”。建設(shè)的目的不僅是當(dāng)時國家科委的要求和尖端技術(shù)的需要，而且與自然科學(xué)乃至整個科學(xué)發(fā)展都有關(guān)系，要建一個全國都能看見、都能使用的“大鐘”。
在當(dāng)時極為復(fù)雜的國際環(huán)境下，國家集中全國力量、調(diào)動各種資源，一起攻堅(jiān)奮戰(zhàn)，終于建成了我國的長波授時系統(tǒng)。1976年，小功率實(shí)驗(yàn)臺建成；1982年，大功率長波授時臺建成；1985年7月1日，大功率長波授時臺全功率試播，并于次年通過由國家科委主持的國家級技術(shù)鑒定。
經(jīng)過60多年的發(fā)展，不管是無線的、有線的，長波的、短波的，地面的、衛(wèi)星的，我國已經(jīng)建成了全球最完整的授時體系框架。可能會有人問，建設(shè)這么多授時手段有必要嗎？確實(shí)很有必要。因?yàn)椴煌脩魧κ跁r信號的接收是不一樣的，有時動態(tài)、有時靜態(tài)，有些需要精度低、有些需要精度高。對一些特殊因素，我們必須用兩到三種以上手段來保障其用時需要。
我國的授時系統(tǒng)效果如何？我可以很驕傲地說，這個授時系統(tǒng)能較好地支持我國經(jīng)濟(jì)社會的運(yùn)行，較好地保障國家安全，同時支撐諸多科學(xué)研究工作。
“十三五”期間，國家部署了一批重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，其中一個就是高精度地基授時系統(tǒng)。高精度地基授時系統(tǒng)是要建設(shè)世界上最長的光纖授時系統(tǒng)，把省會城市和重要設(shè)施連接起來。系統(tǒng)建成后，通過光纖傳遞頻率信號，精度最高達(dá)到10-19，時間的同步精度將會優(yōu)于100皮秒，成為最先進(jìn)的光纖時間傳遞網(wǎng)。
此外，我們還將完善我國的常規(guī)數(shù)據(jù)信號覆蓋，希望建成世界上獨(dú)一無二、立體交叉的國家授時體系。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，建立一個立體交叉的、多系統(tǒng)融合的、立體抗打擊的國家授時系統(tǒng)。
時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間的研究工作�！�
（作者系中國科學(xué)院國家授時中心主任、研究員，見習(xí)記者嚴(yán)濤根據(jù)其在第十四屆創(chuàng)新中國論壇主論壇上的報(bào)告整理）
《科學(xué)新聞》 (科學(xué)新聞2023年6月刊 封面)