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當這熟悉的聲音從廣播電視中傳來，人們往往會好奇，什么是“北京時間”、它是如何產(chǎn)生的、它的精度有多高、在國際上處于什么水平。

帶著這些問題，我們走進產(chǎn)生、保持和發(fā)播“北京時間”的單位——中國科學院國家授時中心（以下簡稱授時中心）。在這里，我們了解到，看似尋常的“北京時間”背后，是中國科學家攻堅克難、甩掉“洋拐棍”的故事。

從最早使用進口鐘，到如今掌握國際上最先進的原子鐘技術，70余年來，幾代“北京時間”守護者以有效滿足國家需求為使命，將國家意志牢記于心，堅持追求“代表國家最高水平”，為國守時，無問西東。

如今，中國自主產(chǎn)生、保持的國家標準時間——“北京時間”能夠運行6000萬年不差1秒。其準確度、穩(wěn)定度及對國際標準時間產(chǎn)生的貢獻權重穩(wěn)居世界前列，并有望在近年內沖擊全球第一。

1 時間要那么精確有啥用

阮軍在授時中心讀了6年博士才畢業(yè)。朋友們經(jīng)常好奇地問他：“你到底是干什么工作的？博士為什么要讀這么久？”

“做原子鐘，保證‘北京時間’更加精準?！?/p>

朋友聽得似懂非懂，往往會追問一句：“時間要那么精確有啥用？”

確實，在大眾的觀念中，時間精確到分鐘就可以了，連秒都不需要，更不用說皮秒、飛秒、阿秒、仄秒了。

阮軍告知，時間這一物理量之所以重要，不僅在于其本身，還在于可以應用其提高相關物理量與物理常數(shù)的測量精度，檢驗一些基礎理論，如相對論的正確與否。

其中，最常見的需求是測距離。一座山到另一座山有多遠？出海的艦艇離港口有多遠？空中的衛(wèi)星距離地面有多遠？世界上沒有一把長到能夠測量出這些距離的尺子，而通過發(fā)射電磁波并測量電磁波傳輸?shù)臅r間，再乘以電磁波速度，就能得出任意兩點間的距離。

重點是，由于電磁波傳播速度在自由空間高達每秒30萬公里，如果計時器每秒有1微秒，即百萬分之一秒的誤差，最后得出的距離數(shù)據(jù)就會相差300米。

舉例來說，假如載人飛船和空間站交會對接時出現(xiàn)了幾秒誤差，這并不意味著它們會比原定時間晚一點對接，而是根本無法對接；發(fā)射和測控巡航導彈時，更是“差之毫厘，謬以千里”；飛機、軍艦、戰(zhàn)車都需要測量信號從衛(wèi)星到自身所用的時間，以確定位置、校正航向。

可以說，一個測不準時間的國家，是沒有條件打一場現(xiàn)代戰(zhàn)爭的。

“海灣戰(zhàn)爭時期美國就打出了導航戰(zhàn)?，F(xiàn)在，授時戰(zhàn)又成為一種新的戰(zhàn)爭形態(tài)?！笔跁r中心黨委書記竇忠指出，最近世界上發(fā)生的幾次戰(zhàn)爭中，當?shù)厣峡盏膶Ш胶蜁r間信息都有被破壞的痕跡。

在民用領域，高精度時間同樣意義非凡。有了毫秒級的時間，電網(wǎng)可以高效運行；有了百納秒級的時間同步，移動通信可以進入5G時代；有了納秒級的時間應用，衛(wèi)星導航才能提供精準服務……

授時中心主任張首剛介紹，時間是7個基本物理量中測量精度最高、應用最廣的一個，精度比其他物理量高出至少四五個量級，且沒有“天花板”。隨著基礎研究的不斷深入和科學技術的發(fā)展，無論是國民經(jīng)濟還是國防建設、國家安全等，對時間精度的需求都在不斷提高。

“這是一輩子都做不完的事，也是值得做一輩子的事。”張首剛說。

2 “北京時間”正式開始

葉叔華在徐家匯觀象臺進行時間觀測。上海天文臺供圖

時間回到70年前，在位于祖國東部沿海的上海，一位剛參加工作的女大學生同樣在苦苦追問：時間要那么精確到底有啥用？

她就是“北京時間”創(chuàng)制奠基人之一、中國科學院院士、中國科學院上海天文臺原臺長葉叔華。

1949年，中國人民政治協(xié)商會議第一屆全體會議通過4項決議案，分別是確定首都、紀年、國歌和國旗，并將“中原標準時間”改為“北京時間”，以首都北京所在的東八時區(qū)的區(qū)時為標準。之后，中國科學院領命接管了原先上海法租界的徐家匯觀象臺，正式開始了“北京時間”的建立工作。

這項工作落到了20歲出頭的葉叔華身上，工作內容似乎極其簡單——白天做算術，晚上看星星。

當時全世界統(tǒng)一使用的世界時以地球自轉為基準，要靠觀測恒星的位置來確定。徐家匯觀象臺作為中國唯一可以發(fā)播標準時間的天文臺，每天上午11時和下午5時準時通過租用的商業(yè)電臺向全國授時，每次播報5分鐘。

葉叔華從小成績優(yōu)異。高考完，父親讓她去打聽考上沒有，她不緊不慢地說：“不用打聽，我肯定考上了?！惫唬~叔華以第一名的成績考入中山大學數(shù)學天文系。

這樣一個聰慧的人，每天卻要重復進行嚴格又枯燥的觀測和計算工作?；貞浧鹜?，今年已97歲高齡的葉叔華笑著告訴記者：“來了3天就想走了。別人都以為搞天文的很浪漫，一旦自己上手就討厭死了，心里很不甘，難道一輩子就這樣了嗎？”

葉叔華后來之所以改變想法，是因為她了解到就是這樣一份枯燥難耐的工作，對當時正在進行的全國地圖測繪至關重要。

“世界時實際上是地球在宇宙中的位置。”葉叔華說，繪制地圖需要在統(tǒng)一的時間標準下測量位置，才能將分散的地圖拼起來。而過去的中國，軍閥混戰(zhàn)，連一張統(tǒng)一的地圖都沒有。

原來，在高山上、森林里、大漠中，每日都有許多人守在無線電設備前，通過聽徐家匯觀象臺播報的時間來校準自己的小鐘。只有這些小鐘足夠精準，我們的地圖才足夠清晰，一窮二白的新中國才能開展急需的基礎設施建設。

從此，葉叔華仿佛打通了“任督二脈”，拼了命也要把工作做好。

很快，葉叔華施展才華的機會來了。1958年，徐家匯觀象臺著手籌建我國自己的綜合世界時系統(tǒng)，31歲的葉叔華挑起了這個擔子。

那時的徐家匯觀象臺設備老舊、技術過時，特別是鐘。葉叔華回憶，那是一臺法國傳教士留下的老式擺鐘，搖搖欲墜，經(jīng)常要拿糯米糨糊修修補補。因此，在全球60多個天文臺參與報時的國際標準時間中，中國的權重一直排在末尾。后來，在國家支持下，徐家匯觀象臺“鳥槍換炮”，終于擁有了一臺當時最先進的石英鐘。

此外，中國還需要自創(chuàng)一套測時算法。經(jīng)過反復試驗，葉叔華采用獨特的方法——對觀測員根據(jù)其誤差變化取平均值，從而創(chuàng)立了一套獨立的時間測量方案。

1965年，我國“綜合時號改正數(shù)”通過國家技術鑒定；1966年初，正式作為我國的世界時基準，即“北京時間”向全國發(fā)播。

3 “326”工程

短波授時臺地下發(fā)射機房入口。授時中心供圖

1964年，我國第一顆原子彈爆炸成功，緊接著就要加緊研制“兩彈一星”中的導彈和人造衛(wèi)星。而這兩項工作都極度依賴精準的時間系統(tǒng)，且需要每天連續(xù)24小時不間斷發(fā)播時間信號?？紤]到上海偏隅東部，信號間斷且不能覆蓋到西部邊疆，同時不符合戰(zhàn)備安全要求，國家明確提出“在西安地區(qū)建立短波授時臺”，并納入國家第三個五年計劃中的重點項目進行建設。

最終確定的臺址是陜西省蒲城縣金幟山，位于唐憲宗陵附近。此地距離中國的大地原點——陜西省涇陽縣不足100公里。除了建設短波授時臺外，項目還開展世界時和原子時研究工作，代號“326”工程。

科技“國家隊”——中國科學院再次領命，組織一批科學家和相關專業(yè)畢業(yè)的大學生，從上海、南京、北京等地奔赴大西北。大家懷著滿腔熱情，坐著大卡車進入金幟山，可到現(xiàn)場卻傻了眼。

原中國科學院陜西天文臺（授時中心前身）臺長漆貫榮是當時的23名大學生之一，畢業(yè)于南京大學天文系。他和6名同班同學一起被分配到“326”工程，其他同學則留在南京、無錫等地參加工作。因為能參與國家重大項目建設，7人既自豪又感到幸運。后來，一位留在蘇州工作的同學坐火車來陜西，經(jīng)過軟磨硬泡，纏得領導最終同意他留下工作。

然而，當時短波臺選址在荒山野嶺，宿舍建在山坡上。說是到短波臺工作，可短波臺又在哪兒呢？漆貫榮的同班同學王正明形容：“好像一盆冷水從頭頂澆了下來?！?/p>

大家首先要解決“三通”問題——通水、通電、通路。漆貫榮領到的任務是通路，人送外號“路局長”。他先找到一家設計單位畫了圖紙，再找附近農(nóng)民幫助施工，不到3個月就鋪通了一條石子路。

通水則麻煩得多，他們往地下打了100多米都沒有找到水，后來不得不引水上山。山上老鄉(xiāng)家用的是露天接下的窖水，他們有時渴了向老鄉(xiāng)討水喝，得到的往往是一個饅頭。當時的金幟山是名副其實的不毛之地，連一棵樹都沒有。有一次漆貫榮被曬得受不了，只得找了一個地洞鉆進去，進去才發(fā)現(xiàn)那是一個盜洞，墻上還清晰地保留著前人的手印。

就這樣，不管是領導、科學家還是大學生，不管是男同志還是女同志，大家一起卸鋼筋、拉水泥，不分晝夜地工作，不知道磨壞了多少副帆布手套。沒有吊車，他們就在地上鋪鋼管，將幾噸重的機器一點一點往前挪……

那時交通不便，去鄰縣辦事要走三四天，除了搭老鄉(xiāng)的馬車，就是靠兩條腿走。生活雖苦，精神頭卻很足，就這么一塊石頭一塊石頭地搬，他們用不到3年時間“搬”出了新中國第一座國家標準時間專用短波授時臺。

1970年，“326”工程建成竣工，周恩來總理親自批示，從1971年1月1日起正式啟用。從此，我國具備了自主可控、全國土覆蓋、連續(xù)發(fā)播的陸基無線電授時能力?！?26”工程也正式更名為“中國科學院陜西天文臺”。這些來自天南海北的年輕人大部分都留在了陜西，從風華正茂到白發(fā)蒼蒼，為祖國的時間頻率科技事業(yè)奉獻終生。

1998年，短波授時臺經(jīng)過技術升級在新址重新建設運行，金幟山上的短波授時臺結束歷史使命，停用封存，后被列為省級重點文物保護單位、國家工業(yè)遺產(chǎn)。如今，地面大廳作為國家科學家精神教育基地再次向公眾開放。

今天，來到位于山洞中的短波授時臺發(fā)射機房，推開厚重的防核彈級別的大門，依舊能聞到濃烈的柴油味兒，一些廢舊儀器設備表面還留有清晰的紅字：“人民，只有人民，才是創(chuàng)造世界歷史的動力。”一般人在這里待上幾分鐘，就會感受到密閉恐懼的壓力。很難想象當時的技術人員是如何在這陰暗潮濕的山洞里每日三班倒、不分晝夜地工作的。

“326”工程竣工后不久，它的兄弟工程“3262”工程登上了歷史舞臺。

4 獨立自主的工程

長波授時臺技術人員在工作。授時中心供圖

“3262”工程指1973年啟動建設的長波授時系統(tǒng)工程。同短波相比，無線電長波信號穩(wěn)定性好、抗干擾能力強，授時精度比短波高3個數(shù)量級，但技術復雜度也更高，美國和蘇聯(lián)也是在20世紀五六十年代才開始建設長波授時系統(tǒng)的。蘇聯(lián)曾提議同我國共建長波授時導航系統(tǒng)，但我國領導人認為授時系統(tǒng)必須掌握在自己手中，要走獨立自主的道路。

缺乏參考資料，中國能不能搞起來？錢學森先生在方案論證會上的講話鼓舞了大家，他說：“‘3262’工程不光是科委的需要，不光對尖端技術重要，而且與我國自然科學，乃至整個科學的發(fā)展，都有關系?！?/p>

就這樣，同研制“兩彈一星”一樣，來自中國科學院、電子工業(yè)部等全國幾十家科研單位的上千名科學家、技術工人如潮水般再一次涌向陜西蒲城。這一次，通過自力更生，他們在距離短波授時臺不遠處建設了一座頗為壯觀的地下4層發(fā)播機房，深達25米，與地面宏大的天線系統(tǒng)一起，構建了長波授時系統(tǒng)。

分別來自北京和上海的“3262”工程技術負責人戴中溶和苗永瑞在這個時候加入了建設團隊。

戴中溶的一生頗有傳奇色彩。他和錢學森是上海交通大學同一屆的校友，1934年畢業(yè)后被分配到西安國民革命軍，師長胡宗南對這個上海來的高才生非常器重，命他組建無線電通信網(wǎng)，后任機要室副主任、少將軍銜。但戴中溶在目睹了國民黨的黑暗之后萌生去意，在妹妹的幫助下成為一名紅色特工。1947年9月，由于叛徒出賣，戴中溶被捕入獄，但軍統(tǒng)特務搜遍他的住所，也沒有找到只言片語的證據(jù)，最后被判刑10年，在監(jiān)獄中等到了解放。

1972年，任中國科學院二局副局長的戴中溶，在63歲時接下了主持建設長波授時臺的重任。他技術精湛、為人和善，年輕人都稱呼他“老戴”。也許是在隱秘戰(zhàn)線工作中形成的風格，老戴做事從不張揚、不計名利，令人欽佩。

苗永瑞則是作為科研骨干從上海天文臺被派至“3262”工程的。他曾在蘇聯(lián)天文總臺進修過3年，對時間工作和天文觀測都非常熟悉。在他的帶領下，長波授時臺將我國授時精度提高了1000倍。工程竣工后，苗永瑞擔任陜西天文臺副臺長、臺長等職，培養(yǎng)了一批科研骨干。1987年卸任臺長后，由于家眷仍在上海，苗永瑞回到上海天文臺工作，1991年當選為中國科學院院士?？上於视⒉?，1999年苗永瑞因患胰腺癌去世。

葉叔華評價說：“苗永瑞為建設陜西天文臺立了大功，使我國時間服務工作既能滿足國家需要，又成為國際上重要的授時臺?！?/p>

1983年，長波授時臺竣工，開始以全功率試驗發(fā)播長波授時信號。1984年，長波授時臺彩車參加了國慶35周年游行，彩車上寫了幾個大字——同步精度百萬分之一秒。

要知道，這樣的時間精度是在系統(tǒng)器件國產(chǎn)化率100%的前提下取得的。整個“3262”工程，大到發(fā)射機、天線，小到二極管、電容，完全依靠我國科技工作者獨立自主研制完成。他們在國外技術封鎖的大環(huán)境下走出了一條自主創(chuàng)新之路。1988年，“長波授時系統(tǒng)的建立”榮獲國家科技進步獎一等獎。

50多年來，從“東方紅一號”到北斗衛(wèi)星，從我國首枚運載火箭到“嫦娥”飛天，長短波授時系統(tǒng)為國家重大任務提供了可靠的高精度授時服務，多次受到國家嘉獎。

5 如愿

中國科學院國家授時中心時間基準系統(tǒng)。李子鋒/攝

1969年，新中國成立20周年國慶前夕，有關部門曾上報我國授時工作的成就，周恩來總理看到后詢問用的什么鐘，答曰進口鐘。周總理便說先不要宣傳，要甩掉“洋拐棍”，下決心研制先進的標準鐘，趕上并超過他們。

這里提到的標準鐘便是原子鐘。與傳統(tǒng)計時儀器相比，它的先進性邁上了一個大臺階。

20世紀50年代，美國率先提出原子鐘的概念，它以原子的共振頻率來計時。1967年，國際計量大會將時間單位“秒”的定義由此前的天文定義修改為原子定義——銫原子基態(tài)超精細能級間量子躍遷時所產(chǎn)生的電磁波，振動9192631770個周期所持續(xù)的時間為1秒。5年之后的1972年，國際上又將通用的國際標準時間，從單純基于地球自轉測量的世界時，修改為結合了原子時和世界時的“協(xié)調世界時”。

張首剛介紹，在時間科學領域，誰掌握更先進的技術，誰就處于領先地位、擁有話語權。繼美國之后，法國發(fā)明了冷原子銫噴泉鐘，將原子鐘的精度又提升了一個數(shù)量級。而我國也曾上馬過小型銫束原子鐘攻關項目，但因為種種原因未能取得成功。除了涉及多學科交叉的前沿理論外，還需要高精尖技術能力，包括材料和加工等，研發(fā)難度極高。

2004年從法國巴黎第六大學博士畢業(yè)后，張首剛回國工作，立志做出“中國制造”的銫噴泉鐘。此舉令他的法國導師極其不解：“你在這里已經(jīng)做了世界上最好的原子鐘，為什么還要回國？”

張首剛當時并沒有回答，因為他的答案也許只有中國人才懂：“因為我的祖國需要?！?/p>

回國后，為了加快研究落地的進度，張首剛采用了同企業(yè)合作成立聯(lián)合實驗室的方式。前期研發(fā)階段，企業(yè)派駐兩名職工全程參與；后期生產(chǎn)階段，科研人員則長期“泡”在企業(yè)里，指導研制。一次，張首剛聽見企業(yè)老領導問他們的年輕干部“什么時候能把國家需要的小銫鐘做出來”，他便知道，找對了合作企業(yè)。

小銫鐘是目前最主流的守時原子鐘，美國從20世紀50年代起就對這一技術嚴防死守，連歐洲都限制出口，中國想購買更是困難重重。

經(jīng)過幾年摸索，2017年，張首剛團隊與企業(yè)合作，基于新理論和新技術，研制出國際首款激光抽運小銫鐘產(chǎn)品，性能比美國產(chǎn)品還要好，除了裝備我國的時間、導航、5G通信等系統(tǒng)外，還出口到歐洲。

2018年，美國宣布對中國徹底禁售小銫鐘。幸好，我們提前啃下這塊“硬骨頭”，避免了一次“卡脖子”。

此外，團隊還研發(fā)出性能先進的冷原子銫噴泉基準鐘、冷原子鍶光鐘、世界上體積最小的高性能芯片原子鐘，以及除美國外，只有我國研發(fā)出的銣原子噴泉守時鐘。

如今在授時中心，有40多臺不同類型的守時原子鐘連續(xù)運行，綜合產(chǎn)生著穩(wěn)定的“北京時間”，并通過銫噴泉基準鐘自主校準?！艾F(xiàn)在，世界上除了美國，就只有我們中國擁有產(chǎn)生國家標準時間的所有核心設備的研發(fā)能力。我們可以不受外界干擾，自主保持‘北京時間’的準確性和穩(wěn)定性?！睆埵讋傉f。

2018年，國際權重和度量局致函授時中心，表示其“具有發(fā)達的守時能力，時間偏差穩(wěn)定保持在5納秒之內，已經(jīng)進入國際領先行列”。而如今，這一偏差已經(jīng)穩(wěn)定在2納秒之內，位列全球前三，且偏差還在持續(xù)減小。

張首剛表示，世界時除了能提供標準時間外，還是實現(xiàn)地球坐標系與天球坐標系轉換的重要參數(shù)，可以說是一種戰(zhàn)略資源。20世紀90年代，我國在應用西方主導的聯(lián)測數(shù)據(jù)后停止了自主測量，結果在后來的幾次航天發(fā)射和軍事活動中，都“巧遇”國外數(shù)據(jù)無法下載的情況?，F(xiàn)在，授時中心建成我國自主的世界時測量與服務系統(tǒng)，滿足了國家需求，實現(xiàn)了“北京時間”產(chǎn)生的科技自立自強，并正在建設更為先進的星地交叉立體國家授時體系。

展望未來，國際上公認的光鐘也許會取代銫原子鐘，重新定義時間單位“秒”?！肮忡姳蠕C原子噴泉基準鐘的精度還要高兩三個量級，達到運行幾十億年誤差不到1秒。”張首剛表示。

面對這樣一個改寫教科書的機會，世界各國都在加緊研發(fā)。

2022年10月31日，我國空間站夢天實驗艙順利發(fā)射，其搭載的由3臺鐘組成的世界首套空間原子鐘組，其中就包括世界上第一臺空間光鐘。中國科學院的建制化優(yōu)勢再次得到充分發(fā)揮，十幾家單位、200多人、歷時10余年的通力合作，共同研制出空間站高精度時頻實驗系統(tǒng)。

歷時近半個世紀，重溫周恩來總理甩掉“洋拐棍”的愿望，如果時間會說話，它應該會說：這盛世，如你所愿。

（原載于《中國科學報》?2024-03-07?第3版?專題）