●重新定義“時間”標準 ●支撐世界時亞毫秒級自主測量

　　把時間精確到72億年僅偏差1秒

　　光明日報記者 崔興毅

　　“現(xiàn)在幾點？”

　　“這表準不準？”

　　你知道生活中我們隨口問的這兩個問題，意味著什么嗎？

　　你一定想不到，這是兩個嚴肅的科學問題——什么是時間？什么是標準時間？

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

　　這是一個與“時間”賽跑的故事——從研發(fā)國內(nèi)首臺激光抽運小型銫原子鐘、系列微型化銣原子鐘，到承建增強型羅蘭授時系統(tǒng)以及差分系統(tǒng)、甚長基線干涉測量網(wǎng)，科技工作者圍繞“守時—授時—用時”時間頻率產(chǎn)業(yè)鏈，不斷突破關鍵核心技術(shù)，支撐國家時間頻率體系建設。

　　中國科學院國家授時中心地下一層，放置著“北京時間”產(chǎn)生的核心設備——原子鐘組和世界時測量系統(tǒng)，工作人員時刻關注屏幕上不斷跳動的數(shù)字，分毫不差地把產(chǎn)生的“北京時間”發(fā)播到全國。

　　“時間”，由此而來。

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

　　為獲得既準又穩(wěn)的時間，科研團隊瞄向“精微”，利用原子基態(tài)能級躍遷特性，通過測量原子振動的周期制造出高精度時鐘設備原子鐘，“時間”的標準由此被重新定義。

　　“‘北京時間’就是由一套幾十臺守時原子鐘實時比對‘世界時’測量產(chǎn)生的。”成都天奧電子服務有限公司高級工程師董道鵬介紹，可用于守時原子鐘組的激光抽運小型銫原子鐘，由中國電科與國家授時中心聯(lián)合研制，每30萬年誤差1秒，成功應用于國家標準時間產(chǎn)生系統(tǒng)、北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)等重要工程，以及電力、通信和計量等重要領域。

　　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，滿足了科技發(fā)展對時間精度的需求。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。

　　“當望遠鏡對準某顆恒星時，就知道它指示的準確時刻，這種方法測定的時間叫作世界時。”高精度地基授時系統(tǒng)天線系統(tǒng)工程項目總師劉鵬介紹，作為世界時測量系統(tǒng)的重要技術(shù)手段，近年來，甚長基線干涉測量網(wǎng)建設提速，上海65米口徑天馬射電望遠鏡、北京密云50米口徑射電望遠鏡，日喀則、長白山40米口徑射電望遠鏡等甚長基線干涉測量網(wǎng)建設任務，有力支撐世界時的亞毫秒級自主測量。

　　“時間”有了，如何把“時間”發(fā)送出去？

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

　　巍巍高原鐵臂高懸，增強型羅蘭授時系統(tǒng)西藏那曲發(fā)射臺正在加快建設。超高傘形天線絕緣設計、強度設計、低損耗設計、基于羅蘭數(shù)據(jù)通道差分信息發(fā)播、大功率高效率信號產(chǎn)生與合成、精準發(fā)播控制……一項項關鍵技術(shù)的突破，讓時間的傳遞更加精準。

　　“通過在新疆庫爾勒、甘肅敦煌、西藏那曲建設長波授時臺，結(jié)合現(xiàn)有長波授時系統(tǒng)，以及新建的增強型羅蘭授時差分系統(tǒng)，將實現(xiàn)百納秒量級長波授時信號在全國重點區(qū)域的全覆蓋。”劉鵬滿是自豪。

　　這只是國家重大科技基礎設施——高精度地基授時系統(tǒng)的一部分。這套系統(tǒng)利用我國現(xiàn)有的通信光纖資源，布設約300個光纖時間頻率傳遞節(jié)點，構(gòu)建了總長約2萬公里、連接全國主要城市和重點用戶的光纖時間頻率傳遞骨干網(wǎng)。

　　“依托高精度地基授時系統(tǒng)的建設，結(jié)合北斗衛(wèi)星導航授時系統(tǒng)，以及空間站高精度時間頻率實驗系統(tǒng)，我國將率先建成世界上獨一無二的，立體交叉、相互增強、相互融合的國家授時體系。”國家授時中心主任、首席科學家張首剛說。

　　有了“守時”和“授時”，還要學會“用時”。

　　這就要靠時間統(tǒng)一系統(tǒng)！當接收了北斗衛(wèi)星、長波等授時信號獲取精確時間后，系統(tǒng)就會利用提取的時間信息校準本地時鐘，實時保持與“北京時間”精準同步。

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

　　實現(xiàn)不同的精確量級，小器件大有可為！

　　“只要我們在需求系統(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，即使外部授時信號丟失一段時間，系統(tǒng)仍能自主保持高精度的時間信號。”中國電科10所原子鐘專業(yè)室硬件工程師韋強說。

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

　　“北斗三號導航衛(wèi)星就裝載著星載銣原子鐘。”韋強介紹，“我們現(xiàn)在不僅能研制星載銣原子鐘系統(tǒng)產(chǎn)品，還擁有國內(nèi)最大銣原子鐘批量生產(chǎn)線，能夠提供精確的‘原子時間標尺’。”

　　精度需求永無止境，推動技術(shù)創(chuàng)新永不止步。“在國家需要的領域，在國家需要的時刻，去努力，去奮斗！”這是科研團隊的心聲，更是他們譜寫“光陰的故事”的真實注腳。

　　《光明日報》（2024年01月29日 08版）