在2017年以前，全世界只有美国能够生产小铯钟，一年后，开始对中国完全禁售。在我国科研人员的努力下，我们打破了技术封锁，不仅研制出了性能更好的激光抽运小铯钟，而且可以自主保持国家标准时间的准确性…

出品：格致论道讲坛

以下内容为中国科学院国家授时中心主任张首刚演讲实录：

大家好，我是张首刚，来自中国科学院国家授时中心的一名科研工作者。今天和大家讨论的话题是《“北京时间”从哪儿来》。

我们日常生活中用得最多的物理量可能就是时间了。不同人对时间都有不一样的理解，那在自然科学中，时间是什么呢？时间是标注事件发生瞬间和持续历程的一个基本物理量，它有两个内涵：一是时刻，二是时间间隔。

它还有三个特征：第一，它是目前应用最广的物理量；第二，它是目前测量精度最高的物理量；还有一个特征，它是可以通过无线电波直接传播的物理量。

我们今天使用的其实是“协调的时间”

可能有人会讲，不就是时间吗？我打开手机，看看手表就知道了。可是你知道，在古代人们是怎样计时的呢？

大家看得比较多的可能是日晷。因为地球在转动，太阳照射在日晷上投影的方位也在变化，表示着不同的时刻。古人再通过沙漏、水漏、焚香等各种测量时间间隔的手段组合使用，来实现时间的测量。

像这样基于地球自转所测得的时间，它的每一分、每一刻都包含着真实的物理含义。它代表地球在空间运动的状态，包括转动的角度等等，这对大地测量、天文观测、深空探测等，都有着重要的应用价值。

但是，地球受到宇宙中其他星体的影响，它的转动速度并不均匀，所以测量得到的时间也不均匀。而现在的一些物理研究包括一些工程技术的应用需要均匀的时间，所以人们后来研制了原子钟。

我们既需要时刻，又需要均匀的时间间隔，怎么办呢？在1972年，国际上作出了决定，创建“国际标准时间”。它以原子时的速率走动，当它与天文时间（基于地球转动测量的时间）之间的时刻差接近0.9秒的时候，我们给它加一秒或者减一秒（闰秒），这样就能保证两者时差小于等于0.9秒，这样的时间叫做“协调世界时”。

协调就是综合的意思，协调了原子钟给出的原子时，也协调了天文观测给出的世界时，这就是国际标准时间的定义。

具体而言，这个标准时间是怎么产生的？

全世界有500多台守时原子钟，切记，这是我第一次使用守时原子钟。守时原子钟的精度并不特别高，但是它的连续运行能力非常强。500多台守时原子钟每天通过卫星进行比对，然后计算出一个均匀的时间。

然而均匀不代表准确，比如说一个秒表每0.9秒跳一次，它是均匀的，但是它不是准确的。它怎么才能准确呢？用全世界十几台基准钟对它进行校准，形成既准又稳的原子时。再用国际联合测量的地球自转时间，也就是世界时，对它进行闰秒的处理。

这样得到的计算结果，正常需要一个月，简算需要七天，以公报形式报告给世界各国，同时也给出了每台钟与国际标准时间的偏差以及其他性能。所以，国际标准时间是滞后的，不是实时的，是计算得出的结果，而不是物理信号，我们把它叫“纸面时间”。

北京时间的故事

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我们使用的是“北京时间”，是在1949年9月28日首次播报的。北京时间是一个定义，是我们国家首都所在的时区——东八区的区时，也就是东八区的中央经线——东经120°上的地方时。

什么叫地方时呢？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，所以其实北京的地方时和北京时间有14.5分钟的差异。全中国哪一个省会城市的地方时和北京时间最接近呢？告诉大家，是杭州。

说到这儿大家就明白了，原来北京时间也是一个定义。那么，真正应用的北京时间物理信号，即国际标准时间＋8小时的东八区区时，是怎么实现的呢？我们也是用一组原子钟实现的，一共有40多台，包括氢钟、小铯钟、铷喷泉钟等守时钟，还有基准钟铯喷泉钟。

和国际标准时间的产生方式一样，我们也会产生一个均匀的时间。这个均匀的时间，我们有自己的基准钟进行校准，也用国际定期给的数据进行标校。同时，我们也有自己的世界时测量系统，也有国际世界时测量系统，在全世界的安排下统一设置闰秒。这样，就产生了我们国家的标准时间——北京时间的物理信号。

产生这个时间信号，并且把它保持下来，叫“守时”。守时工作的目的，就是要把产生的时间发播出去，通过授时系统发播给不同的用户来使用。

而这些工作，包括守时和授时是谁来完成呢？是中国科学院国家授时中心。这是我国乃至全世界目前唯一的专门、全面从事时间频率基础研究和技术研发的科研机构，担负着国家标准时间的产生和发播任务。中国科学院国家授时中心地处陕西西安，所以我们经常说，北京时间来自于陕西西安。

在20世纪50年代，美国、苏联、日本都有自己专门独立的授时系统。而当时我们国家由上海天文台租用了邮电部的短波无线电发播台，在有限的几个整时点播发或者插播时间信号，这显然不能满足我们国家大规模经济建设和国防建设的需求。

当时苏联领导人到中国后，希望和我们共同建设长波授时导航系统。但毛主席认为，授时系统必须掌握在中国人手里。于是在1966年，国家开始准备建设我国专用的短波授时台。这时候的情形是“三缺”——缺人才、缺技术、缺经验，谁来干这个活？中国科学院揭榜领命。

接下来，在哪里建？当时的国际形势并不太好，所以我们必须建在一个安全的地方。我们要建一个短波授时台，期望它在建设完成后，发播的有效覆盖面积能够更大。所以，国家就期望把它建在中国的内陆腹地。经过反复地勘探、选址、调查等，最后确定建在陕西蒲城。

这张照片是当时建设短波授时台的情形，当时称作“326工程”。考虑到安全问题，我们把山梁打穿了。

最终它于1970年建成，1971年经周总理亲自批示，开始播发我们国家的标准时间。

在建设时，来自上海天文台、紫金山天文台、北京天文台的科研人员，以及许多大学刚刚毕业的青年学者来到西北，和工地的建设人员一起同吃同住。简单地说，这是用一块又一块石头搬起来的短波授时台。

随着空间科学技术的发展，尤其卫星的发射和国防试验等需要，我们需要一个更高精度的长波授时台。在长波授时台建设论证方案的会议上，钱学森先生就指出：“我们的目的就是要搞一个全国性的大钟”，一个大家都能看见、用得着的大钟。这个大钟的工程代号叫“3262工程”，也就是长波授时台。

“这不光是科委的需要，不光对尖端技术很重要，而且和我国自然科学，乃至整个科学的发展都有关系。”从钱学森先生的表述中，可见长波授时台的重要性。

在1979年9月，我们终于建成了一个在地下三四十米，具有抗核打击能力的长波授时台，这是部分照片。

高精度原子钟的突围之路

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在建设长波授时台的同时，我们还需要从天文时间测量过渡到原子时的测量，也就是要建立自主的原子时守时系统或者是测量系统。那时我们有在武汉研制的铷钟，还有上海计量局研制的氢钟，可以实现原子时的独立测量。

但直到21世纪初，几十年来，我们的原子钟技术发展仍然没有国外的先进，所以国家标准时间产生系统的原子钟基本依赖于进口。

2005年，我从国外留学归国。科学院领导对我说，张首刚，你到陕西天文台去，那里需要你。过去叫中国科学院陕西天文台，2001年改名叫中国科学院国家授时中心。

那时，中国科学院国家授时中心没有做原子钟的基础，整个陕西都没有从事冷原子研究的人员，需要我从零开始，从一个人开始。在这样的起步条件下，经过长期的努力，从我一个人现在发展到百余人的研究队伍，并且在时间频率领域也产生了目前仅有的两名“杰青”，研制了系列的新型原子钟，满足了国家发展的需要。

举几个简单的事例。这张照片是小铯钟，可能跟大家对钟的印象是不一样的，它是国际上守时原子钟里用得最多的一种。但是从20世纪50年代起，一直到2017年以前，全世界只有美国能够生产，并且它对欧洲、对中国限购。2018年贸易摩擦发生以后，干脆对中国完全禁售，理由是出口小铯钟威胁美国的国家安全。

我们在2011年就未雨绸缪，开始研制新型的激光抽运小铯钟，性能比美国的产品还要好。目前成了系列产品，装备在了我们国家标准时间系统、导航系统、5G通讯、电力系统中，也保障了北极的科考，并且还出口欧洲。这是世界上第二种对国际标准时间作出贡献的小铯钟，也是国内第一台有国际贡献的小铯钟。

▲ 首次获得国际权重

现在，原子钟技术不断发展，产生了许多新型的守时原子钟，比如曾经是美国独家拥有的铷原子喷泉守时钟。我们打破了相关的技术封锁，在2022年也成功研制了新型的铷原子喷泉守时原子钟，参加了国家标准时间的守时工作，并且在2022年10月其一直对国际原子时作出了贡献。中国也继美国之后，成为第二个研制出铷原子喷泉守时钟的国家。

目前，对守时原子钟组产生的均匀时间进行校准的钟叫基准钟，目前性能最好的基准钟是铯原子喷泉钟。

▲ 铯喷泉钟系统，6000万年不差1秒

我们也打破了相关技术封锁，利用超稳激光，通过光梳产生的微波源来代替晶振，从而改善了喷泉原子钟相关性能，研制了准确度和稳定度国际先进的铯原子喷泉基准钟。

这样一来，我们国家的标准时间可以不受外界干扰。比如一旦出现国际比对链路中断等因素的影响，我们可以自主保持国家标准时间的准确性。

有了原子时，接下来我们还需要天文时间。刚才说到，我们的标准时间是协同世界时间。在20世纪90年代前，我们国家有比较先进、独立自主的天文时间测量系统。在90年代以后国际上进行联测，我们就没有进行自主测量了。

后来，尤其在近十几年来，在有一些重大任务，尤其是在航天任务等关键时候，我们就无法从国际组织获取国际联测的世界时测量数据，怎么办呢？

▲ VLBI测量系统

急国家之所急，利用有限的地域空间资源，我们提出要以多技术来解决不同性能的问题，比如用甚长基线干涉（VLBI）解决精度的问题，用北斗监测评估系统解决连续测量的问题，用数字天顶筒来解决可靠性问题，建立起我们国家独立自主的世界时测量系统，尤其在2022年3-4月化解了一些重大风险。

▲ 左：天顶筒观测系统

右：北斗续监测评估系统

有了天文时间的测量系统，我们国家标准时间的测量性能如何？自豪地说，全世界90个国家和地区有自己的标准时间，我们时间的性能，准确度、稳定度，排名世界前三。

▲ 左：各国对国际标准时间贡献权重（数据来自国际权度局T公报）

右：中国国家标准时间主要性能国际先进

全世界共同产生国际标准时间，每个国家的贡献不一样，中国的贡献是多少呢？也是第三。所以说，中国的标准时间影响着全球的时间。

在自主方面，简单地说，目前能够独立自主测量世界时的国家不过5个。全世界能够完全拥有国家标准时间产生所需要的原子钟研发技术的国家，只有中国和美国。

从平面走向立体的“大钟”

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刚才说过，产生时间是为了不同用户的应用，应用要通过授时实现。

通过几代人的努力，我们建设起多手段国家授时系统，有无线的，像通过卫星、短波无线电、长波无线电，以及通过广播、卫星电视、低频时码授时的；还有有线的，比如通过电缆、光纤、网络等等进行授时的。所以，美国评价我们中国代表了全球最为完整的授时体系架构。这个体系在一定程度上能较好满足国家经济社会发展、国家安全还有科学研究的需要。

比如，毫秒级精度的时间服务，能够满足智能电网的需求；微秒，也就是百万分之一秒精度的时间服务，能够满足武器试验和金融证券的需要；亿分之一，甚至十亿分之一秒精度，能够满足卫星导航的需要。

但是对一些更高精度的需求，比如基础物理研究，包括其他一些特殊工程的需要，我们还要努力。我国的授时体系也还存在着一定的安全风险。

怎么办？“十三五”期间，国家重大科技基础设施——高精度地基授时系统，就是要来解决这个问题。我们要建设全世界最长、达2.4万公里专用光纤高精度授时网，时间精度达到百皮秒，频率精度达到10-19，还要在西部增建3个远距离无线电导航系统授时台，与现有授时台实现国土的长波授时全覆盖。

关于原子钟，刚才说到守时原子钟有氢钟、小铯钟、铷原子喷泉钟，还有基准钟铯喷泉钟。这些原子钟种类多，特性不同，应用也不一样。守时的过程是把各个原子钟的特性综合起来，并且我们用了四十台守时钟，就是来保证国家标准时间的安全、连续。

那目前最好的原子钟是什么呢？现在看光钟拥有最高性能，比目前的时间基准钟铯原子喷泉钟还高两三个量级。

我们研究的铯原子喷泉基准钟，如果能够连续运行，能够达到六千万年不差一秒。而光钟比铯原子喷泉基准钟的精度还高两三个量级，能够达到几十亿年不差一秒。所以全世界都在努力研制。将来，可能三五年后，光钟会取代铯原子喷泉基准钟，重新来定义时间单位“秒”的长度。

▲ 左：时频柜1

右：时频柜2

2022年10月31日，我国空间站的梦天舱顺利发射，搭载了一个高精度时频实验系统，装载在两个实验柜里，加上舱外设备，共十四台单机，其中有三台原子钟，包括世界上第一台空间光钟。

▲ 地面测试应用系统

这套系统将是世界上精度最高的空间时间频率产生和传递系统，它将通过微波和激光链路，向一定空间区域和地面提供高精度的时间频率比对信号，支撑相关的基础研究和工程应用等。

说到这儿，我顺便从兜里拿出一样东西让大家看一看，它只有大拇指头这么大。我想告诉大家，原子钟有不同类型，这是我们中国科学院团队研制的世界上最小的原子钟，叫芯片钟。

所以，我们现在有较为完善的多手段授时体系，同时也在建设“十三五”国家重大科技基础设施——高精度地基授时系统。加上我们已经有了北斗导航授时系统、空间站高精度时频实验系统。我们将把这四个系统有机结合，形成一个立体交叉、相互融合、相互增强的国家立体的授时系统。

它的功能会更加强大，系统将更加强壮，也更加安全。它的授时精度，尤其在地面的授时精度会提高两三个量级以上。如果有这么一个安全可靠的系统，对民众生活也很有意义，我们的无人驾驶会更安全，通讯速率就会更快。这样，我们就把钱老提出的中国的一个平面大钟，变成中国的3D立体大钟。

最后我想用一句话和大家说再见：时间研究是值得一辈子做的工作，也是一辈子做不完的工作。

谢谢大家！

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