●重新定義“時(shí)間”標(biāo)準(zhǔn) ●支撐世界時(shí)亞毫秒級(jí)自主測(cè)量

　　把時(shí)間精確到72億年僅偏差1秒

　　光明日?qǐng)?bào)記者 崔興毅

　　“現(xiàn)在幾點(diǎn)？”

　　“這表準(zhǔn)不準(zhǔn)？”

　　你知道生活中我們隨口問的這兩個(gè)問題，意味著什么嗎？

　　你一定想不到，這是兩個(gè)嚴(yán)肅的科學(xué)問題——什么是時(shí)間？什么是標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間？

　　前不久，我國(guó)科研團(tuán)隊(duì)成功研制萬秒穩(wěn)定度和不確定度均優(yōu)于5×10-18（相當(dāng)于數(shù)十億年的誤差不超過1秒）的鍶原子光晶格鐘。在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)還對(duì)鍶原子光晶格鐘的系統(tǒng)頻移因素開展了逐項(xiàng)評(píng)定，最終得到其系統(tǒng)不確定度為4×10-18，相當(dāng)于72億年僅偏差1秒，已部分滿足“秒”重新定義的要求，對(duì)未來構(gòu)建新一代全球時(shí)間基準(zhǔn)乃至提供引力波探測(cè)、暗物質(zhì)搜索的新方法等具有重要價(jià)值。

　　這是一個(gè)與“時(shí)間”賽跑的故事——從研發(fā)國(guó)內(nèi)首臺(tái)激光抽運(yùn)小型銫原子鐘、系列微型化銣原子鐘，到承建增強(qiáng)型羅蘭授時(shí)系統(tǒng)以及差分系統(tǒng)、甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量網(wǎng)，科技工作者圍繞“守時(shí)—授時(shí)—用時(shí)”時(shí)間頻率產(chǎn)業(yè)鏈，不斷突破關(guān)鍵核心技術(shù)，支撐國(guó)家時(shí)間頻率體系建設(shè)。

　　中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心地下一層，放置著“北京時(shí)間”產(chǎn)生的核心設(shè)備——原子鐘組和世界時(shí)測(cè)量系統(tǒng)，工作人員時(shí)刻關(guān)注屏幕上不斷跳動(dòng)的數(shù)字，分毫不差地把產(chǎn)生的“北京時(shí)間”發(fā)播到全國(guó)。

　　“時(shí)間”，由此而來。

　　但地球自轉(zhuǎn)速度是越來越慢的，以地球自轉(zhuǎn)為基礎(chǔ)的世界時(shí)其實(shí)并不均勻。尤其在如今的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中，1納秒（十億分之一秒）的時(shí)間誤差就會(huì)導(dǎo)致0.3米的距離誤差。

　　為獲得既準(zhǔn)又穩(wěn)的時(shí)間，科研團(tuán)隊(duì)瞄向“精微”，利用原子基態(tài)能級(jí)躍遷特性，通過測(cè)量原子振動(dòng)的周期制造出高精度時(shí)鐘設(shè)備原子鐘，“時(shí)間”的標(biāo)準(zhǔn)由此被重新定義。

　　“‘北京時(shí)間’就是由一套幾十臺(tái)守時(shí)原子鐘實(shí)時(shí)比對(duì)‘世界時(shí)’測(cè)量產(chǎn)生的?！背啥继鞀W電子服務(wù)有限公司高級(jí)工程師董道鵬介紹，可用于守時(shí)原子鐘組的激光抽運(yùn)小型銫原子鐘，由中國(guó)電科與國(guó)家授時(shí)中心聯(lián)合研制，每30萬年誤差1秒，成功應(yīng)用于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間產(chǎn)生系統(tǒng)、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)等重要工程，以及電力、通信和計(jì)量等重要領(lǐng)域。

　　從“每30萬年誤差1秒”到“72億年僅偏差1秒”，原子鐘正變得越來越精準(zhǔn)，滿足了科技發(fā)展對(duì)時(shí)間精度的需求。但生活在地球上的人們是按照地球的自轉(zhuǎn)規(guī)律（太陽升起和降落）來安排工作和生活，因此，人們離不開世界時(shí)。

　　“當(dāng)望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)某顆恒星時(shí)，就知道它指示的準(zhǔn)確時(shí)刻，這種方法測(cè)定的時(shí)間叫作世界時(shí)。”高精度地基授時(shí)系統(tǒng)天線系統(tǒng)工程項(xiàng)目總師劉鵬介紹，作為世界時(shí)測(cè)量系統(tǒng)的重要技術(shù)手段，近年來，甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量網(wǎng)建設(shè)提速，上海65米口徑天馬射電望遠(yuǎn)鏡、北京密云50米口徑射電望遠(yuǎn)鏡，日喀則、長(zhǎng)白山40米口徑射電望遠(yuǎn)鏡等甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量網(wǎng)建設(shè)任務(wù)，有力支撐世界時(shí)的亞毫秒級(jí)自主測(cè)量。

　　“時(shí)間”有了，如何把“時(shí)間”發(fā)送出去？

　　北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、長(zhǎng)波、短波等無線電授時(shí)系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)、光纖、電話等有線授時(shí)系統(tǒng)都是常用的授時(shí)手段，而增強(qiáng)型羅蘭授時(shí)系統(tǒng)是目前最可靠的地基無線電授時(shí)手段。

　　巍巍高原鐵臂高懸，增強(qiáng)型羅蘭授時(shí)系統(tǒng)西藏那曲發(fā)射臺(tái)正在加快建設(shè)。超高傘形天線絕緣設(shè)計(jì)、強(qiáng)度設(shè)計(jì)、低損耗設(shè)計(jì)、基于羅蘭數(shù)據(jù)通道差分信息發(fā)播、大功率高效率信號(hào)產(chǎn)生與合成、精準(zhǔn)發(fā)播控制……一項(xiàng)項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的突破，讓時(shí)間的傳遞更加精準(zhǔn)。

　　“通過在新疆庫爾勒、甘肅敦煌、西藏那曲建設(shè)長(zhǎng)波授時(shí)臺(tái)，結(jié)合現(xiàn)有長(zhǎng)波授時(shí)系統(tǒng)，以及新建的增強(qiáng)型羅蘭授時(shí)差分系統(tǒng)，將實(shí)現(xiàn)百納秒量級(jí)長(zhǎng)波授時(shí)信號(hào)在全國(guó)重點(diǎn)區(qū)域的全覆蓋?！眲Ⅸi滿是自豪。

　　這只是國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施——高精度地基授時(shí)系統(tǒng)的一部分。這套系統(tǒng)利用我國(guó)現(xiàn)有的通信光纖資源，布設(shè)約300個(gè)光纖時(shí)間頻率傳遞節(jié)點(diǎn)，構(gòu)建了總長(zhǎng)約2萬公里、連接全國(guó)主要城市和重點(diǎn)用戶的光纖時(shí)間頻率傳遞骨干網(wǎng)。

　　“依托高精度地基授時(shí)系統(tǒng)的建設(shè)，結(jié)合北斗衛(wèi)星導(dǎo)航授時(shí)系統(tǒng)，以及空間站高精度時(shí)間頻率實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，我國(guó)將率先建成世界上獨(dú)一無二的，立體交叉、相互增強(qiáng)、相互融合的國(guó)家授時(shí)體系?！眹?guó)家授時(shí)中心主任、首席科學(xué)家張首剛說。

　　有了“守時(shí)”和“授時(shí)”，還要學(xué)會(huì)“用時(shí)”。

　　這就要靠時(shí)間統(tǒng)一系統(tǒng)！當(dāng)接收了北斗衛(wèi)星、長(zhǎng)波等授時(shí)信號(hào)獲取精確時(shí)間后，系統(tǒng)就會(huì)利用提取的時(shí)間信息校準(zhǔn)本地時(shí)鐘，實(shí)時(shí)保持與“北京時(shí)間”精準(zhǔn)同步。

　　“目前，時(shí)間統(tǒng)一系統(tǒng)已被應(yīng)用在通信基站、互聯(lián)網(wǎng)等信息系統(tǒng)中，我們的手機(jī)、電腦只要入網(wǎng)就可進(jìn)行時(shí)間校準(zhǔn)，保障時(shí)間的準(zhǔn)確性。”各行各業(yè)對(duì)時(shí)間應(yīng)用的精度需求不盡相同，董道鵬舉例說，高鐵調(diào)度管理需要秒級(jí)精度，廣播電視發(fā)播控制需要毫秒級(jí)精度，電網(wǎng)時(shí)間同步和故障定位、通信基站同步需要微秒級(jí)精度，衛(wèi)星導(dǎo)航提供常規(guī)服務(wù)需要納秒級(jí)精度……

　　實(shí)現(xiàn)不同的精確量級(jí)，小器件大有可為！

　　“只要我們?cè)谛枨笙到y(tǒng)內(nèi)置小型銣原子鐘或晶體振蕩器，并配合自研高保持智能算法，即使外部授時(shí)信號(hào)丟失一段時(shí)間，系統(tǒng)仍能自主保持高精度的時(shí)間信號(hào)?！敝袊?guó)電科10所原子鐘專業(yè)室硬件工程師韋強(qiáng)說。

　　比如星載原子鐘，就是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的“心臟”，直接決定了衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度。

　　“北斗三號(hào)導(dǎo)航衛(wèi)星就裝載著星載銣原子鐘?！表f強(qiáng)介紹，“我們現(xiàn)在不僅能研制星載銣原子鐘系統(tǒng)產(chǎn)品，還擁有國(guó)內(nèi)最大銣原子鐘批量生產(chǎn)線，能夠提供精確的‘原子時(shí)間標(biāo)尺’。”

　　精度需求永無止境，推動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新永不止步。“在國(guó)家需要的領(lǐng)域，在國(guó)家需要的時(shí)刻，去努力，去奮斗！”這是科研團(tuán)隊(duì)的心聲，更是他們譜寫“光陰的故事”的真實(shí)注腳。

　　《光明日?qǐng)?bào)》（2024年01月29日 08版）