把时间精确到72亿年仅偏差1秒

把时间精确到72亿年仅偏差1秒

光明日报记者 崔兴毅

　　“现在几点？”

　　“这表准不准？”

　　你知道生活中我们随口问的这两个问题，意味着什么吗？

　　你一定想不到，这是两个严肃的科学问题——什么是时间？什么是标准时间？

　　前不久，我国科研团队成功研制万秒稳定度和不确定度均优于5×10-18（相当于数十亿年的误差不超过1秒）的锶原子光晶格钟。在此基础上，研究团队还对锶原子光晶格钟的系统频移因素开展了逐项评定，最终得到其系统不确定度为4×10-18，相当于72亿年仅偏差1秒，已部分满足“秒”重新定义的要求，对未来构建新一代全球时间基准乃至提供引力波探测、暗物质搜索的新方法等具有重要价值。

　　这是一个与“时间”赛跑的故事——从研发国内首台激光抽运小型铯原子钟、系列微型化铷原子钟，到承建增强型罗兰授时系统以及差分系统、甚长基线干涉测量网，科技工作者围绕“守时—授时—用时”时间频率产业链，不断突破关键核心技术，支撑国家时间频率体系建设。

　　中国科学院国家授时中心地下一层，放置着“北京时间”产生的核心设备——原子钟组和世界时测量系统，工作人员时刻关注屏幕上不断跳动的数字，分毫不差地把产生的“北京时间”发播到全国。

　　“时间”，由此而来。

　　但地球自转速度是越来越慢的，以地球自转为基础的世界时其实并不均匀。尤其在如今的卫星导航系统中，1纳秒（十亿分之一秒）的时间误差就会导致0.3米的距离误差。

　　为获得既准又稳的时间，科研团队瞄向“精微”，利用原子基态能级跃迁特性，通过测量原子振动的周期制造出高精度时钟设备原子钟，“时间”的标准由此被重新定义。

　　“‘北京时间’就是由一套几十台守时原子钟实时比对‘世界时’测量产生的。”成都天奥电子服务有限公司高级工程师董道鹏介绍，可用于守时原子钟组的激光抽运小型铯原子钟，由中国电科与国家授时中心联合研制，每30万年误差1秒，成功应用于国家标准时间产生系统、北斗卫星导航系统等重要工程，以及电力、通信和计量等重要领域。

　　从“每30万年误差1秒”到“72亿年仅偏差1秒”，原子钟正变得越来越精准，满足了科技发展对时间精度的需求。但生活在地球上的人们是按照地球的自转规律（太阳升起和降落）来安排工作和生活，因此，人们离不开世界时。

　　“当望远镜对准某颗恒星时，就知道它指示的准确时刻，这种方法测定的时间叫作世界时。”高精度地基授时系统天线系统工程项目总师刘鹏介绍，作为世界时测量系统的重要技术手段，近年来，甚长基线干涉测量网建设提速，上海65米口径天马射电望远镜、北京密云50米口径射电望远镜，日喀则、长白山40米口径射电望远镜等甚长基线干涉测量网建设任务，有力支撑世界时的亚毫秒级自主测量。

　　“时间”有了，如何把“时间”发送出去？

　　北斗卫星导航系统、长波、短波等无线电授时系统，网络、光纤、电话等有线授时系统都是常用的授时手段，而增强型罗兰授时系统是目前最可靠的地基无线电授时手段。

　　巍巍高原铁臂高悬，增强型罗兰授时系统西藏那曲发射台正在加快建设。超高伞形天线绝缘设计、强度设计、低损耗设计、基于罗兰数据通道差分信息发播、大功率高效率信号产生与合成、精准发播控制……一项项关键技术的突破，让时间的传递更加精准。

　　“通过在新疆库尔勒、甘肃敦煌、西藏那曲建设长波授时台，结合现有长波授时系统，以及新建的增强型罗兰授时差分系统，将实现百纳秒量级长波授时信号在全国重点区域的全覆盖。”刘鹏满是自豪。

　　这只是国家重大科技基础设施——高精度地基授时系统的一部分。这套系统利用我国现有的通信光纤资源，布设约300个光纤时间频率传递节点，构建了总长约2万公里、连接全国主要城市和重点用户的光纤时间频率传递骨干网。

　　“依托高精度地基授时系统的建设，结合北斗卫星导航授时系统，以及空间站高精度时间频率实验系统，我国将率先建成世界上独一无二的，立体交叉、相互增强、相互融合的国家授时体系。”国家授时中心主任、首席科学家张首刚说。

　　有了“守时”和“授时”，还要学会“用时”。

　　这就要靠时间统一系统！当接收了北斗卫星、长波等授时信号获取精确时间后，系统就会利用提取的时间信息校准本地时钟，实时保持与“北京时间”精准同步。

　　“目前，时间统一系统已被应用在通信基站、互联网等信息系统中，我们的手机、电脑只要入网就可进行时间校准，保障时间的准确性。”各行各业对时间应用的精度需求不尽相同，董道鹏举例说，高铁调度管理需要秒级精度，广播电视发播控制需要毫秒级精度，电网时间同步和故障定位、通信基站同步需要微秒级精度，卫星导航提供常规服务需要纳秒级精度……

　　实现不同的精确量级，小器件大有可为！

　　“只要我们在需求系统内置小型铷原子钟或晶体振荡器，并配合自研高保持智能算法，即使外部授时信号丢失一段时间，系统仍能自主保持高精度的时间信号。”中国电科10所原子钟专业室硬件工程师韦强说。

　　比如星载原子钟，就是卫星导航系统的“心脏”，直接决定了卫星导航系统的定位精度。

　　“北斗三号导航卫星就装载着星载铷原子钟。”韦强介绍，“我们现在不仅能研制星载铷原子钟系统产品，还拥有国内最大铷原子钟批量生产线，能够提供精确的‘原子时间标尺’。”

　　精度需求永无止境，推动技术创新永不止步。“在国家需要的领域，在国家需要的时刻，去努力，去奋斗！”这是科研团队的心声，更是他们谱写“光阴的故事”的真实注脚。

　　《光明日报》（2024年01月29日 08版）