演講題目：時間究竟是怎么來的？

演講者：中國科學(xué)院國家授時中心主任,、首席科學(xué)家 張首剛

那么如果我問大家現(xiàn)在幾點了,，我估計你們很多人都會拿出手機或者是手表,，那我們大家想沒想過，在古代人們是怎么知道時間的,？我們古時有很多的計時工具,，圭表是最古老的天文觀測儀器之一，它通過測量太陽投影的長短來測節(jié)氣,、定農(nóng)時,，后來圭表就逐漸演變,，演變?yōu)槲覀冚^為熟悉的日晷。

日晷它是通過太陽投影的角度來指示時刻的,。在我們古代南北朝時期,，有一種計時工具叫作秤漏，它有一個大桶里邊盛滿水,，還有一個小桶,，通過一個細(xì)管把水，從大桶導(dǎo)入到小桶,，隨著時間的流失,，小桶里的水不斷地增加，我們稱一稱小桶的重量,，就便知道了時間,。

那么我們看到日月星辰，每天東升西落,，這是為什么呢？這是因為地球在自轉(zhuǎn),，相對穩(wěn)定的自轉(zhuǎn)使地球成了一面天然的大鐘,，如果我們把空中的恒星看做鐘面上的刻度，那么天文學(xué)家用于觀測的望遠(yuǎn)鏡就是這個鐘面上的指針,，當(dāng)這個望遠(yuǎn)鏡指向某一顆恒星的時候,，那么它就給出了準(zhǔn)確的時刻，這是一種天文測量時間的方法,，這種方法測量的時間叫什么呢,？叫世界時。但是由于其他星體的影響,，這個世界時的測量精度只能到達(dá)毫秒的量級,，不能滿足我們發(fā)展航天技術(shù)的要求。隨著量子力學(xué)的發(fā)展,，實驗表明,，在一些分子和原子內(nèi)部的量子躍遷產(chǎn)生的相關(guān)運動的周期非常穩(wěn)定，也非常適合于測量時間,，于是人們就開始研制原子鐘了,。在1967年國際計量大會上確定，銫原子基態(tài)兩個能之間躍遷,，大約九十二億個周期,，所持續(xù)的時間為一秒，這樣時間的單位就從天文時過渡到原子時,。

有了更穩(wěn)定的原子時,，有人會問,，那天文時就沒有用了？不是這樣的,，我們熟知的大地測量,，天文觀測，航天器的跟蹤定位,，都要依賴著世界時的測量,，而另外一些像引力波探測，相對論驗證,，這些精密物理的實驗研究,，則需要非常精密的原子時，這就在應(yīng)用上出現(xiàn)了矛盾,。1958年我們把原子時和天文時同時對準(zhǔn),，讓它們開始運行，隨著時間的推移,，兩邊出現(xiàn)了較大的差異,。我現(xiàn)在可以告訴你們，地球自轉(zhuǎn)在不斷地變慢,，大概有多大程度的變慢呢,？平均來說，每三年慢兩秒,。為了解決這個問題,，人們就提出了另外一個非常非常重要的時間尺度，叫協(xié)調(diào)世界時,。那么國際標(biāo)準(zhǔn)時間——協(xié)調(diào)世界時是怎么產(chǎn)生的呢,？全世界八十五個實驗室，八十五個代表不同國家和地區(qū)的實驗室,，每天五百多臺守時型原子鐘,，通過衛(wèi)星進行比對，綜合計算出一個非常非常穩(wěn)定的自由原子時,。打個比方,，有一個同事甲，他每天九點上班,，當(dāng)然我們知道他遲到了一個小時,，但是他非常規(guī)律，非常穩(wěn)定,，就像上面的自由原子時一樣的穩(wěn)定,，那么領(lǐng)導(dǎo)發(fā)現(xiàn)了他每天遲到，然后究其因，發(fā)現(xiàn)他的表慢了一個小時,，通過校準(zhǔn)他的手表,，而后呢每天八點上班，并且非常規(guī)律,，相當(dāng)于國際原子時了,，既準(zhǔn)又穩(wěn)了。那么隨著時間的推移,，到了冬天,，天亮得晚了，我們把早上上班時間推遲半個小時,，就相當(dāng)于我們用國際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)組織提供的世界時對我們的原子時進行調(diào)整一下,，這樣大家以后都八點半上班，既準(zhǔn)又穩(wěn),，還符合實際的工作需求,。

那么有人會問了,，有了國際標(biāo)準(zhǔn)時間——協(xié)調(diào)世界時,，我們還需要產(chǎn)生北京時間嗎？協(xié)調(diào)世界時是一個事后的計算數(shù)據(jù),，不是我們實際想用的物理信號,，所以我們必須產(chǎn)生我們能夠?qū)崟r使用的標(biāo)準(zhǔn)時間——北京時間，換句話說,，北京時間是國際協(xié)調(diào)時在中國的實現(xiàn)，是中國版的國際標(biāo)準(zhǔn)時間,，北京時間使用了四十多臺守時原子鐘,，一定數(shù)量的守時原子鐘的使用是為了保證產(chǎn)生北京時間系統(tǒng)的安全可靠性，也是為了保證北京時間的連續(xù)和穩(wěn)定性,。但這個時間需要校準(zhǔn),，需要性能更高的基準(zhǔn)鐘。

目前世界上最好的基準(zhǔn)鐘是冷原子銫噴泉鐘,，世界上第一臺銫原子噴泉鐘,，誕生在法國，是我的導(dǎo)師研制的,，我的博士工作的主要內(nèi)容是改造法國基準(zhǔn)鐘,，也就是第一臺銫原子噴泉鐘。博士畢業(yè)的時候,，我回國了,，但是當(dāng)我的導(dǎo)師知道我要回國的時候，他問我：“首剛,，你已經(jīng)做了世界上最好的噴泉鐘,，為什么還要回中國繼續(xù)做噴泉鐘,。”我知道老師是對我學(xué)術(shù)發(fā)展的關(guān)心,，但是我也知道噴泉鐘對一個國家時間系統(tǒng)的重要性,。2005年我離開了北京的家人，只身到了臨潼,，那時候國家授時中心冷原子鐘的研究是零的基礎(chǔ),，從我一個人開始，從一個螺絲釘?shù)拈_始,，一切從零開始,。經(jīng)過十五年努力，我們成功地研制了兩臺具有自主知識產(chǎn)權(quán)的銫原子噴泉鐘,，根據(jù)銫原子噴泉鐘的性能分析,，如果這臺銫原子噴泉鐘能夠運行六千萬年，它的誤差是多少,？告訴大家,，它積累的誤差不到一秒。國際電信聯(lián)盟要求各國的標(biāo)準(zhǔn)時間與國際標(biāo)準(zhǔn)時間的偏差不大于一百納秒,，我們北京時間2013年起就小于十納秒,，2017年起就進入五納秒。目前進入五納秒的國家只有五個,，其中包括我們中國,。

那么守時是為了應(yīng)用,，北京時間在西安產(chǎn)生了,，怎么能發(fā)送給用戶？這就是我們要談到的授時,。授時自古就有,，古代授時是指授農(nóng)時、節(jié)令,，《尚書·堯典》有這樣的記載：“乃命羲和,，欽若昊天，歷象日月星辰,，敬授人時,。”這句話是什么意思,，就是說帝堯委派官員觀察和計算日月星辰的運行規(guī)律,，然后制定立法指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人們的生活。鐘鼓樓大家可能聽說過，它往往是在市中心的最高建筑,，我們通過晨鐘暮鼓來進行報時,，早晨的鐘聲和傍晚的鼓聲，響徹了城市的每個角落,。

那么今天和過去大不一樣了,，我們采用電話、網(wǎng)絡(luò),、光纖,、無線電短波、無線電長波,、無線電低頻時碼以及衛(wèi)星等各種技術(shù)手段傳遞時間信號,。上個世紀(jì)六十年代，我們在陜西蒲城建設(shè)了專用短波授時臺,，短波是通過電離層的不斷反射來傳遞時間的,，對大地測量、電力調(diào)度以及天文觀測有著重要的應(yīng)用價值,。但是它的精度比較低,，只能達(dá)到毫秒量級，不滿足要發(fā)展航天技術(shù)的要求,。本世紀(jì)初,，我們在河南商丘建了另外一種信號體制的長波授時臺，叫低頻時碼授時臺,。我手上帶的這塊手表就是接收它的信號,，任何時候和國家的標(biāo)準(zhǔn)時間不差零點一個毫秒。有了秒級的精度,，我們就可以對高速鐵路進行調(diào)度管理,；有了毫秒級的精度，我們就可以對廣播電視進行發(fā)播控制,；有了微秒級的精度，我們就可以對電力網(wǎng)進行故障定位,；有了納秒級的精度,，我們就可以實現(xiàn)衛(wèi)星導(dǎo)航的米級定位。所以說時間的精度,，只有我們做不到,，沒有用不到?？梢哉f人們研究時間測量的過程就是人類發(fā)展進步的過程,。

在這里我想告訴大家，未來五年我們中國將建成世界獨一無二立體交叉的授時系統(tǒng)，我們將用空間站把北斗衛(wèi)星和地面時間系統(tǒng)連接起來,，這樣我們就形成了一個交叉互補的立體系統(tǒng),。運用這個系統(tǒng)，我們會把地面授時精度提高四到五個量級,，對科學(xué)研究和國家安全意義重大,。對我們普通民眾，我們的通信速度將會進一步提高,，我們的無人駕駛將會更加安全,。可以說授時服務(wù)能力體現(xiàn)著一個國家的綜合科技實力,，我們國家的利益拓展到什么地方,，我們的授時服務(wù)就到什么地方，我們國家利益到火星,，我們的授時服務(wù)就到火星,，我們國家利益到深海，我們的授時服務(wù)就到深海,。

謝謝大家,。