中国的一面大钟：国家授时系统 | 张首刚

温馨提示

将致未来·C-Talk设为星标

第一时间接收图文消息

国家需要什么我们就干什么，十几年来我们国家授时的主要设备基本实现了国产化，性能也达到了国际先进水平。

张首刚

中国科学院国家授时中心研究员

中国科学院时间频率基准重点实验室主任

对时间频率的基本认识

时间是标注事件发生瞬间和持续历程的一个基本物理量，当然，哲学家或者社会学家一生可以有不同的解读。时间是我们生活中用的最多的名词，也是我们应用最多的物理量，同时时间也是目前测量精度最高的物理量，比其它物理量高4-5个量级。所以一些基础物理量、一些基本物理规律的检验都会转换到时间频率的测量，来提高它们测量和检验的精细程度。

时间包含两个内涵：时刻和时间间隔。我们说演讲大会9点开始，持续时间半小时，这里面包含两个信息，9点是时刻，持续半个小时是时间间隔。

大多数国家都有自己统一的标准时间。北京时间的第一次出现是在新中国成立前夕，也就是在第一次政治协商会议之后的第二天，当时北京新华广播电台（即：现在中央人民广播电台）首次播报了北京时间。

北京时间是什么？北京时间是我们国家以首都北京所在的东八区时区的中央经线，也就是120度经线上的当地时间作为我们国家的标准时间。北京时间和北京的地方时间是不同的，准确地说，当在北京地区看到太阳正在头顶时，不是12点，而是12点一刻左右，因为北京所处的经度是116.21度，其实我们国家最接近北京时间的城市是杭州。

古代我们用日晷来确定时刻，用焚香、滴漏、沙漏计时来确定时间间隔，这样的测量精度不高。我给大家举一个例子，2021年欧洲科学家爆出一个超光速大乌龙事件，其原因就是实验中存在着几十纳秒的时间误差。如果真的发现了超光速误差，那么我们对这个世界认识的最基础的物理，狭义相对论就出现了错误，将会改变我们对整个自然界的认知。

后来人们又发现地球的转动是一个较均匀的转动，并且比较宏大，不受外界干扰。所以通过地球的测量也可以实现时间的测量。这样就相当于一个天然的大钟，如果我们天文学家在地球上用望远镜看天空的某一个恒心，这样我们就可以来测基于地球转动的天文时间，当然这样的测量精度是比较差的，是毫秒量级。把这样测量的时间分成86400份，就是现在的一秒。

人们在不断地追求时间测量的精度，随着量子物理的发现，人们发现原子或者电子内部的微观运动，电子两个不同能级之间跃迁的时候，吸收或者辐射的电磁波的振荡频率是非常稳定的。刚才定义的秒长和测量的秒长，把通过量子物理实现的原子钟的秒长进行测算，在1967年人们就重新对秒长进行了定义，这个秒长的定义就是我们现在使用的秒长的定义。它是铯原子基态，电子在两个能级之间跃迁所辐射的或者所吸收的电磁波振荡92亿次所持续的时间为1秒，当然还有很多附加条件。在海平面、电磁环境等这些基础条件下，原子的秒非常稳定，但是它没有实质的物理意义，不像基于地球自转测量的世界时，它代表着地球在空间转动的方位或者地球转动的角度，或者地球的摆动等等，和我们的日常生活息息相关，比如说早晨、晚上都是基于地球自转而产生的。

所以到了1972年，我们的标准时间就发生了变化，不是单纯的天文时间，更不是单纯的原子时间，它是原子时和天文时间的一个共同产物，叫世界协调时。经常有英文、法文翻译成世界协调时，它是用了原子时稳定的秒长，用了天文时间的时刻，这个时间是当原子时的时间和天文时间的时间都分别运行相差接近0.9秒的时候，我们通过闰秒的粉饰来实现两者之间的协调。

刚才提到的标准时间是协调世界时，那么协调世界时在世界上又是怎么产生的呢？世界协调时目前代表不同国家和地区，一共有85个授时区，这个授时是产生自己国家的标准时间的，这些实验室大概运行了500多台授时型原子钟，所谓授时原子钟就是能够可靠连续运行的原子钟，它的性能是最高的。这些原子钟每天通过卫星进行比对，就是我们俗称的对表。对表以后，国际上有一个组织叫国际权度局，把这些比对的数据进行统计，利用一种算法形成一个自由原子时记录，自由原子时是非常稳定的，但是它不一定准确。全世界还有11台比它性能更高的基准钟，也通过比对来校准这个自由原子时，形成一个既准又稳的国际原子时。我们用的标准时间是协调世界时，还有一个地球服务自转组织，它把国际上相关国家的相关的连铯数据进行集成，产生或者是测量基于地球转动的世界时。这两个时间通过闰秒，也就是协调的方式来产生世界协调时，这个世界协调时只是一个纸面的数据，国际权度局把最后计算的这个数据结果反馈给各个国家，这就是说国际标准时间，协调世界时是一个纸面的时间，每个国家还必须有自己的标准的，能够发布和使用的物理信号。

国家授时系统发展历程

授时就跟教授一样，你给学生传播知识，首先必须自己会，所以授时系统最核心的部分就是标准时间的产生和保持性，产生还要保持，时间必须连续。把产生和保持的时间通过时间频率传递比对系统给发播系统，发播系统把这个时间发给用户，这样就完成了产生和发播的过程。当然，发播出去以后，这个时间在传输的过程中会有延时和其他的变化，我们还必须对它进行监测和闭环控制。时间不是一个国家独立产生的，必须是国际的，所以我们有国家的授时系统，还必须进行国际比对，全世界85个实验室在共同产生一个国际标准时间，我们利用产生的国际标准时间、纸面时间来纠正自己的时间，从而产生一个国际统一的既准又稳，还可以适用我们中国的标准时间——北京时间。

北京时间产生在哪里？准确地说是来自于陕西西安的临潼，这是我们国家授时中心的大门，国家标准时间就产生在这个大院里。我们国家早在1980年的时候就第一次参加了国际原子时的共同比对和计算，不过那时我们使用的原子钟是性能非常低的钟，和我们国产的性能较差的氢钟，和进口的美国小铯钟。小铯钟是整个授时，也就是时间产生和保持系统的主要原子钟。当时我们参加国际原子时比对的时候，我们单位的名称是“中国科学院陕西天文台”，2001年更名为现名：中国科学院国家授时中心。

目前授时的性能是什么？全世界85个授时实验室能够和国际标准时间的偏差小于5ns的国家一共有5个，其中就包括我们，我们的性能发展和进步也是逐渐的。早在2006年的时候就进入30ns，目前进入到5ns，国际电联要求各个地区、各个国家产生和保持时间与国际标准偏差的时间是100ns，中国是5ns，全世界85个授时实验室每天比对，每天共同产生国际原子时，各家的水平、各家的贡献是不同的，我们中国在国际上的贡献是前3名。

这是一套产生和比对的部分原子钟的现场照片。其中包括有国产的小铯钟、美国的氢钟、俄罗斯的氢钟和国产的小铯钟。还有一套比对测试系统，这是一部分，我们有两套比对测试，为的是安全、是备份。

但是我们授时有一个伤疤，从1980年起参加国际原子钟比对，35年的时间里，我们使用的原子钟主要是依赖于进口。1980年首次参加国际原子时比对的时候，我们用的主要的钟是美国进口的小铯钟，1955年美国就研制成功小铯钟了，可是到目前、到此时此刻，中国还没有一个成熟的技术方案的可用的小铯钟产品。

我在法国从事喷泉钟研究，世界上第一台喷泉钟的研究就是法国。我毕业以后，当时科学院院长白崇礼来找我谈说：“首刚，你到陕西，那个地方是我们国家标准时间产生的地方，需要钟，你去，你的家人我给你安排。”我就去了。但是我是做铯原子喷泉的，需要有原子钟的物理知识，还有相关的设备，陕西没有一个人从事冷原子的物体。所以就从0开始，从一个人开始逐渐发展，现在发展成了70多人的队伍，研制了不同原子钟，并产生了系列产品，当然还不限于原子钟的产品和研究，还包括时间频谱测量。

全世界每天有500多台授时钟进行比对，比对完了以后产生一个稳定时间，准的原子钟需要更高级的基准钟校准。现在的基准钟是什么？是铯原子基准钟，这样的钟性能达到什么样的水平？这样的钟如果能够连续运行的话，它是6000万年不差一秒，这台原子钟用于标准时间的准确率，如果比对链路中断怎么办？可能出现偏差的风险，必须研究能够自主校准我们国家标准时间的基准钟。

我们也打破了一些国际的小的技术封锁，比如和西安六一八所合作的光学枪，我们在国内研制了首台基于激光能够产生微波信号，把常规的微波信号源的频率准度提高到百分之百。这样我们利用这一技术，以及其他的改进，我们的性能在国际上总体前四左右，尤其连续运行能力在国际上是第二，这样我们就可以实现对我们国家标准时间的自主校准。

6000万年不差一秒的喷泉钟，有没有更先进、性能更高的原子钟？有光子钟，目前我们在研究光子钟。目前的基准钟是锶原子钟，现在国际上正在讨论，在2026年前后将可能用光钟来替代刚才我提到的铯原子喷泉钟，重新对秒长进行定义。为了始终拥有自主权和话语权，让我们时间能够永远自主可控，我们在研究我们国家的锶原子光钟，我们的实验系统非常庞大，目前它的不确定达到-18，当然这些钟还有其他的工程应用，比如把这台钟提高一个厘米，频率就发生了变化，换句话说，通过频率的变化可以进行测定等等。所以它有很多的工程，所以我们还研制了可移动或者车载的锶原子光钟，目前还研制了将在空间站运行的空间光子钟。

我刚才说了时间不仅仅是原子时，也不是过去的最早的天文时间，它是原子时和天文时间的协调。在上个世纪90年代以前，我们国家还自主测量世界时，1990年以后参加了国际联测，我们很庆幸没有放弃我们国家的世界时自主测量系统的维持。

国家需要什么我们就干什么，十几年我们自主研制了自己可用的授时钟和基准钟，十几年我们初步建立了多手段的国家时间测量系统，正是由于这些年的艰苦努力，我们国家授时的主要设备基本实现了国产化，我们的性能也达到了国际先进水平。我们也知道，产生了时间就成了应用，授时就成为用户，通过各种技术手段，有线和无线的方式来提供时间频率信号。

解放初期，在上世纪50年代欧美日等发达国家建立了自己的授时系统，包括国民党政府在台湾也依赖于美国的协助，建立了自己的授时台站。在1954年7月份，我们紫金山天文台在上海徐家汇观象台租用一个广播电台来发布我们的时间。毛主席说：中国必须有中国的标准时间，中国的时间不掌握在外国人的手里。

这里有一个故事，1958年的时候前苏联赫鲁晓夫希望和我们中国共同建立一个大的、长波的大功率的授时，主席回答得很巧妙，主席说建完以后谁来运管？赫鲁晓夫听到这个话就明白了，所以我们必须建自己的授时台站。

建国初期百废待兴，我们时间的发布在上海，是租用的一个电台信号，每天晚上7点、9点、23点，就是整点不间断地发，技术能力水平也是有限的，地理位置等等信号没有较好地覆盖我们的国土，所以我们国家必须建立自己专用的授时台，尤其是卫星和战略武器的实验，我们在“三缺”（缺人才、缺技术、缺经验）的情况下，我们国家要在西部建设一个授时台，中国科学院来担当这个使命。

当时时间主要依赖光学的手段来测，需要在晴天数较多的地区来建我们国家的授时台，所以我们就决定在陕西蒲城建我们国家的短波授时台，大批的科学家和青年学生从北京、上海、南京到那个地方去，就是一个山坡，什么都没有，所以当时有人说是把他们骗去了，但是到那儿以后都扎扎实实地工作，用他们的话说，就算一块石头一块石头地搬也要搬出一个天文台，因为到那儿以后根本就没有天文台，大家跟建筑工人一块儿干活，就这样建起了我们国家的短波授时台。这些科学家和当时的青年学子是扎根西部，默默奉献，几代人，现在他们的子孙还在这里，生活还依然很艰苦，他们用热血和汗水书写了“淡泊名利、甘于清贫、无私奉献、科技报国”的326精神，因为当时的工程叫326，是短波授时。到了1970年，这个地方就改为中国科学院陕西授时台，1971年周总理批复正式启用这个短波授时。

后来短波台的发射距离比较长，它通过反射可以到三千、可以到几万平米，但是只有几秒精度，不能满足战略武器实验，不能满足空间科学的发展，所以我们国家又提出了要建一个精度达到一个微秒的长波发射台。当时在方案论证会上，钱老就指出我们应该向同志们交底，我们目的就是搞全国性的一面大钟。为什么要搞这样的钟？为什么精度要求这么高？不仅在全国范围内，还要出海，远望船等等，导弹、卫星、飞船要以广泛的面积作为测量基地，单靠几个点是不够的，必须把测量距离拉开，这是测量的距离基线，和精度关系。326短波台，3262是长波台，对完成尖端技术，对完成主席交给我们的任务，对赶超世界先进水平关系极大。3262不光是科委的需要，不光是对尖端技术重要，而是对自然科学，乃至整个科学的发展都相关，因为时间频率是一个基本的物理量，支撑着科技社会、支撑着很多科学技术的发展。

这个是把地下挖三四十米，这是过去长波台的坑道，它是抗原子弹的。长波授时系统在1984年作为国家重大科技成果，参加了国庆35周年庆典天安门群众游行活动。1988年包括短波被作为我们国家的重大科学工程运行服务。2009年我们对它进行了现代化改造，从地上搬到了地下，短波在1993年也从山洞里搬到了地面上，因为山洞里的信号不好。

国家授时系统的现状

现在我们拥有各种手段，电话、网络、短波、长波，我手上戴的手表，任何时间和我们国家的时间不差0.1毫秒，这个授时台在商丘。还有卫星，卫星可以提供10ns量级的授时，还有光纤，我们可以提供几百微秒，目前我们还在研究几十飞秒量级的授时传输。所以我们目前有多手段的授时服务体系，基本满足了经济社会、国家安全和科学研究应用的需求各个分析，包括尖端的技术，来满足精密测量物理研究的需求。

国家授时系统的未来

我们国家授时系统基本满足了国家经济社会运行、国家安全，包括相关科学研究的需求。但是还有不足的地方，精度不足，目前应用最广泛的是卫星授时，它只有10ns级，我们更高的需求没被满足。

所以“十三五”我们国家要建一个国家的重大科学基础设施，要建世界上最长的，连接我们国家主要城市和重要用户，或者基础设施的两万公里的光纤实现传递，频率传递达到-19量级，时间同步精度达到100ps，我们还要在西部增建3个新型的长波授时台，实现我们国家长波授时的国土覆盖。

我们提出的光纤，包括长波技术方案，都超越了美国、英国、欧洲。2022年以前我们将建成中国的空间站，在空间站的舱2上，我们有一个高精度的时间同步系统，它要为空间站提供时间信号，为一些基础物理研究提供信号。

基于我们现在运行的国家授时系统，包括地面的各种系统，包括目前国家的一个项目，我们还另外通过通信卫星转发一个导航系统，还有空间站系统，加上在建的高精度授时系统，我预计在5年内将建成世界上独一无二的立体交叉的相互增强、相互融合的立体的国家授时体系，这样就把钱老先前提出的要建成“中国的一面大钟”变成将建设成为“中国的一个3D大钟”。

责编 :  霍进兰