准时，究竟以何为准（唠“科”）

本文转自：人民日报

张首刚

时间，熟悉又抽象，看不见摸不着，又无处不在。从“立表见影，视影知时”的日晷到“弦轮密运，机巧精妙”的机械钟，再到“量子振荡，稳定精准”的原子钟，乃至被称为“宇宙灯塔，太空时钟”的脉冲星计时系统……纵观人类发展史，计时工具不断更替，计时技术持续演进。

那么，我们说的“准时”，究竟以何为准呢？

计时原理先后经历了“天体运动—物理现象—机械振动—压电效应—量子跃迁—射电脉冲”等“进化”过程。20世纪60年代以前，世界时（UT）作为基准时间被广泛应用，它是基于地球自转运动测量的时间。20世纪60年代以后，利用量子跃迁频率确定的时间标准——原子时（AT）应运而生。从此，国际上应用原子时取代天文时重新定义时间基本单位“秒”。

世界时的时刻对应太阳在天空中的特定位置，反映地球在空间旋转时自转的角度和地轴方位。但是地球自转不均匀等特性，使得世界时的秒长大致呈逐年变长的趋势。原子时能够满足对时间间隔均匀性的要求，但它的时刻却没有具体的物理含义。因此，为了兼顾人们对时刻和时间间隔的测量应用需要，定义了“协调世界时”（UTC），它是采用原子时的秒长，利用原子时的均匀性，通过闰秒，保证时刻与世界时在一定程度相符的时间尺度。1972年，国际上规定“协调世界时”成为新的国际标准时间，并沿用至今。

随着现代社会的发展，人们对秒以下的时间细分提出了越来越多的需求，产生了毫秒、微秒、纳秒、皮秒、飞秒、阿秒、仄秒等，这就是精密时间。精密时间包含了“时间间隔”和“时刻”两个要素，其中“时间间隔”主要利用原子时测量。原子时由原子钟提供，原子钟的计时精度非常高，可以达到几千万年甚至几十亿年不差1秒。

原子钟为什么这么准？量子物理研究表明，微观世界中的原子可以在不同能态之间转换。转换过程中，原子会吸收或释放电磁波，电磁波频率与能态之间的能量差成比例关系，非常稳定。利用它控制电子振荡器或激光器的频率，输出可以实际应用的标准频率电磁波信号，对电磁波振荡周期计数，就可以形成时间信号的输出，从而实现自然界最精准的时钟——原子钟。在过去半个世纪里，原子钟的计时精度大约每7年就会提升一个数量级，这一趋势还在继续。正是得益于此，时间成为目前测量精度最高的物理量，精度可达到阿秒（10-18秒）量级，甚至更高。

人们对时间测量和应用的研究带动了科技的进步。如今，我国科学家已成功研制出氢原子钟、小型铯束原子钟、冷原子铯喷泉基准钟、冷原子铷喷泉守时钟、冷原子锶光钟、冷原子镱光钟、钙离子光钟以及世界上体积最小的芯片原子钟等，应用相关原子钟实现了中国自主产生、保持的国家标准时间——“北京时间”，能够运行6000万年不差1秒。

时间的作用远比我们想象的重要。今天，精密时间应用范围非常广泛，涵盖基础研究、工程技术应用、国家安全以及国计民生等诸多方面。

在卫星导航方面，时间信息的生成与保持、时间频率信号的测量与同步是卫星导航系统最关键的基础技术。用户的位置和速度信息是通过测量时间获得的。百万分之一秒（1微秒）的时间测量误差，就会导致定位误差300米。目前卫星导航系统的时间测量精度需要达到十亿分之一秒（1纳秒）量级。

对于航天科技，构成测控网的测控中心、各测控站、测量船之间必须保持优于微秒级的时间同步，深空测量等要求站间时间同步达到纳秒级；一些前沿科学实验，如相对论验证、引力波探测、物理常数测量等，其精度都直接取决于时间频率测量的最高精度。

对于金融经济，国际国内银行间的实时结算，证券期货和股票市场的集合竞价、成交，互联网金融、区块链金融都需要严格的时间同步及可信时间认证，电子商务对时间同步的要求优于100毫秒。

在社会生活中，高精度时间频率同步已成为“国家综合立体交通网”建设中的关键技术之一；电力运行调度系统要求全电网保持高精度时间同步，在同一个电厂或变电站内，所有系统的时间同步要求是优于1毫秒；第五代移动通信（5G）网络核心设备对时间同步精度要求优于100纳秒。

（作者为中国科学院国家授时中心主任，本报记者吴月辉采访整理）

《 人民日报 》（ 2025年01月04日 05 版）