準時，究竟以何爲準（嘮“科”）

本文轉自：人民日報

張首剛

《人民日報》（

2025年01月04日

第 05 版）

時間，熟悉又抽象，看不見摸不着，又無處不在。從“立表見影，視影知時”的日晷到“弦輪密運，機巧精妙”的機械鐘，再到“量子振盪，穩定精準”的原子鐘，乃至被稱爲“宇宙燈塔，太空時鐘”的脈衝星計時系統……縱觀人類發展史，計時工具不斷更替，計時技術持續演進。

那麼，我們說的“準時”，究竟以何爲準呢？

計時原理先後經歷了“天體運動—物理現象—機械振動—壓電效應—量子躍遷—射電脈衝”等“進化”過程。20世紀60年代以前，世界時（UT）作爲基準時間被廣泛應用，它是基於地球自轉運動測量的時間。20世紀60年代以後，利用量子躍遷頻率確定的時間標準——原子時（AT）應運而生。從此，國際上應用原子時取代天文時重新定義時間基本單位“秒”。

世界時的時刻對應太陽在天空中的特定位置，反映地球在空間旋轉時自轉的角度和地軸方位。但是地球自轉不均勻等特性，使得世界時的秒長大致呈逐年變長的趨勢。原子時能夠滿足對時間間隔均勻性的要求，但它的時刻卻沒有具體的物理含義。因此，爲了兼顧人們對時刻和時間間隔的測量應用需要，定義了“協調世界時”（UTC），它是採用原子時的秒長，利用原子時的均勻性，通過閏秒，保證時刻與世界時在一定程度相符的時間尺度。1972年，國際上規定“協調世界時”成爲新的國際標準時間，並沿用至今。

隨着現代社會的發展，人們對秒以下的時間細分提出了越來越多的需求，產生了毫秒、微秒、納秒、皮秒、飛秒、阿秒、仄秒等，這就是精密時間。精密時間包含了“時間間隔”和“時刻”兩個要素，其中“時間間隔”主要利用原子時測量。原子時由原子鐘提供，原子鐘的計時精度非常高，可以達到幾千萬年甚至幾十億年不差1秒。

原子鐘爲什麼這麼準？量子物理研究表明，微觀世界中的原子可以在不同能態之間轉換。轉換過程中，原子會吸收或釋放電磁波，電磁波頻率與能態之間的能量差成比例關係，非常穩定。利用它控制電子振盪器或激光器的頻率，輸出可以實際應用的標準頻率電磁波信號，對電磁波振盪週期計數，就可以形成時間信號的輸出，從而實現自然界最精準的時鐘——原子鐘。在過去半個世紀裡，原子鐘的計時精度大約每7年就會提升一個數量級，這一趨勢還在繼續。正是得益於此，時間成爲目前測量精度最高的物理量，精度可達到阿秒（10-18秒）量級，甚至更高。

人們對時間測量和應用的研究帶動了科技的進步。如今，我國科學家已成功研製出氫原子鐘、小型銫束原子鐘、冷原子銫噴泉基準鍾、冷原子銣噴泉守時鐘、冷原子鍶光鍾、冷原子鐿光鍾、鈣離子光鍾以及世界上體積最小的芯片原子鐘等，應用相關原子鐘實現了中國自主產生、保持的國家標準時間——“北京時間”，能夠運行6000萬年不差1秒。

時間的作用遠比我們想象的重要。今天，精密時間應用範圍非常廣泛，涵蓋基礎研究、工程技術應用、國家安全以及國計民生等諸多方面。

在衛星導航方面，時間信息的生成與保持、時間頻率信號的測量與同步是衛星導航系統最關鍵的基礎技術。用戶的位置和速度信息是通過測量時間獲得的。百萬分之一秒（1微秒）的時間測量誤差，就會導致定位誤差300米。目前衛星導航系統的時間測量精度需要達到十億分之一秒（1納秒）量級。

對於航天科技，構成測控網的測控中心、各測控站、測量船之間必須保持優於微秒級的時間同步，深空測量等要求站間時間同步達到納秒級；一些前沿科學實驗，如相對論驗證、引力波探測、物理常數測量等，其精度都直接取決於時間頻率測量的最高精度。

對於金融經濟，國際國內銀行間的實時結算，證券期貨和股票市場的集合競價、成交，互聯網金融、區塊鏈金融都需要嚴格的時間同步及可信時間認證，電子商務對時間同步的要求優於100毫秒。

在社會生活中，高精度時間頻率同步已成爲“國家綜合立體交通網”建設中的關鍵技術之一；電力運行調度系統要求全電網保持高精度時間同步，在同一個電廠或變電站內，所有系統的時間同步要求是優於1毫秒；第五代移動通信（5G）網絡核心設備對時間同步精度要求優於100納秒。

（作者爲中國科學院國家授時中心主任，本報記者吳月輝採訪整理）