“北京時間”從哪來?到哪去?|讀+

時間，既熟悉又抽象，像空氣一般悄無聲息。臨窗碼字到凌晨3時，萬籟俱寂，時鐘嘀嗒，告訴我們時間稍縱即逝、永不停步：

“嘀嗒”一秒，蜂鳥振翅55次，獵豹在草原飛奔28米，地球已繞太陽轉了30千米，飛船飛出近8千米，世界上大約4個寶寶出生，人類吃掉超85噸食物，全球消耗石油約15萬升……

古今中外，關於時間的名言金句，不計其數。然而，時間究竟是什麼？古羅馬思想家奧古斯丁說：“沒有人問我，我倒清楚；有人問我，我想說明，便茫然不解了。”

14億中國人統一使用的北京時間，其實並非“北京特產”。在陝西西安臨潼區驪山下，中國科學院國家授時中心的神秘地下鐘房裡，放置著很多原子鐘，這些寶貝們時時刻刻在工作，以3000萬年不差一秒的精度，“產生”北京時間。

中國科學院國家授時中心建設的時間科學館（位於我國西安）。

經過精心籌備，2016年，中國科學院國家授時中心籌建了“時間科學館”，這是我國目前唯一以時間科學為主題的科普展覽館。為了向社會大眾展示時間的奧秘，打造一個便於攜帶、流動的科學館，中國科學院國家授時中心的竇忠和劉永鑫，聯袂創作了《時間科學館》一書，被有關部門評為2022年度優秀科普圖書。近日，他們接受長江日報《讀+》周刊專訪，暢談北京時間背後的故事。

《時間科學館》竇忠 劉永鑫 編著科學出版社

時間是怎麼來的

日月星辰東昇西落，是地球自轉的反映。地球自轉一周為一日，月亮繞地球公轉一周為一月，地球繞太陽公轉一周為一年——這些今人熟知的常識，卻是古人幾千年天地間求索的成果。

在時間科學館中，陳列著一個直徑1.4米的巨大樹輪，記錄著200年歲月變遷：它於1815年清朝嘉慶年間破土萌發，見證了法國物理學家傅科做單擺實驗證明地球自轉的1851年、清王朝走向覆滅的辛亥革命、兩次世界大戰、人類首次登上月球的1969年……直到2015年被砍伐。

二百載滄桑，如果放在浩渺的宇宙年曆中，不過彈指瞬間。如果把大約138億年的宇宙演化史濃縮到一年之中，人類上下五千年相當於最後大約10秒，人的壽命只有0.2秒，一閃即逝！

漫步時間科學館，可以看到人類對時間的測量，亙古至今，孜孜以求，不斷追求時間測量精度的極限。

上古無文字，人們結繩記日；漸漸地，我們的祖先根據“日出而作，日入而息”，演變出“立表見影，視影知時”的太陽鐘。

黃河中游地區的陶寺遺址，被考古認為是新石器時代晚期城邑,很可能是堯帝時期都城，城中距今4000多年的古觀像台，通過台上立柱的縫隙，觀測正東方向的塔兒山日出，確定節氣時令。

英國巨石陣曾被認為是神秘的外星人遺跡，考古學家推測其建造於公元前3000~前1500年，可能是古代不列顛人建來觀測日出日落等天象，以定節氣時令、指導農耕，與陶寺遺址古觀像台有異曲同工之妙。

從距今4000多年前的圭表到周朝的日晷；從燃燒蠟燭、香料等“燒香知夜，刻燭難更”的火鐘，到水鐘、沙漏、燈漏等流體鐘；從“針表相交”的機械鐘到電子元件構成的電子鐘，從內置芯片的電波鐘到原子鐘，再到宇宙中最穩定、最精確的天文鐘——脈衝星計時……計時儀器的演進不斷推陳出新。

量子物理研究表明，利用原子吸收或釋放能量時發出的電磁波，可製成原子鐘，計時幾千萬年甚至幾億年不差1秒，已被廣泛應用到科研、天文觀測、航海航空、宇宙航行等領域。除了守時型地面原子鐘，科學家還在研製衛星或其他航天器上的星載原子鐘、光鐘。其中，中科院國家授時中心張首剛團隊、中科院武漢精密測量科學與技術創新研究院等單位合作研製的芯片原子鐘，體積僅2.3立方厘米。

據測量，擺鐘的計時精度是10~120秒/日，石英鐘錶是0.001~0.2秒/日，銫原子鐘是1秒/100萬年，而鍶光鐘達到1秒/160億年。

身為知名科普作家的竇忠感慨：人類在時間測定技術方面的研究，始終站在科技發展潮頭，推動著科技的進步與發展；每一個時代的計時儀器，都代表著那個時代最高的科技水平。

高精度時間意義重大

通過測時和計時產生了時間，還要通過各種手段把時間傳遞發送出去，供各種用戶使用，這就是“授時”。

“雞人呼旦”（人學雞叫）、打更、晨鐘暮鼓是古人的授時方法；近代，出現了落球報時、閃光報時、午炮報時等辦法，如民國初年，北洋政府曾在北平城樓上架起兩尊退役大砲用作每日中午報時，午炮聲響巨大，首次鳴炮就震塌了附近兩間民房。

20世紀，無線電授時橫空出世；始於20世紀80年代的互聯網授時，在21世紀初在全球迅速發展，擁有龐大的用戶量；如今，衛星授時成為全球重要的授時手段，已形成美國GPS、俄羅斯GLONASS、中國北斗、歐盟Galileo四大衛星導航系統，衛星授時精度在10納秒量級。

高精度時間對於國民生活、科研、經濟、軍事、航天等領域，意義重大。電力、飛機、高鐵等指揮運營系統，要求保持與高精度時間同步；5G移動通信基站對時間同步精確性的要求，優於百納秒；股票高頻交易每毫秒300多筆，多1毫秒的時間延遲，會造成不少損失；中國空間站、火星探測等航天工程，對時間同步的要求，達到了納秒級和皮秒級。

速戰速決是《孫子兵法》“作戰篇”的核心思想。高精度和高穩定度的時間頻率系統對現代軍事和國家安全的應用極為重要。信息化作戰平台、電子偵察系統、敵我識別系統、精確打擊和空中攔截系統等，都需要極高的時間同步精度。 1991年海灣戰爭和1999年科索沃戰爭後，軍事專家驚呼：現代戰爭中，原子鐘比原子彈更重要！近年來，“授時戰”成為當今信息化條件下軍事鬥爭的焦點。

【訪談】

北京時間是怎樣誕生的？

讀+：大家很好奇國家授時中心為什麼設在西安？

竇忠：這其中有歷史原因。最早我們國家的時間工作主要是在上海，後來由於多方面的原因，遷到內陸。

新中國成立初期，社會運行和人民生活都需要告訴大家準確時間，於是，授時工作提上日程。當時的主要手段是通過無線電來傳播時間信息，而無線電的特性就是從中心向四周輻射，所以授時台選在國土的幾何中心相對好一些，便於覆蓋全國。

第二個因素也是因為時間工作的重要性，時間對於國家安全、民眾生活都有較大的影響，所以我們必須有自己獨立研究的時間，它作為一項涉及國家安全的技術，被挪到內陸地區，遠離東南沿海。

20世紀60年代，由於大規模經濟建設和國防建設需要，國家決定在內陸腹地從速建設一個專用授時台。中國科學院組織上海天文台、紫金山天文台、北京天文台專家，多方踏勘選址，按照“靠山進洞”的戰備要求，選定渭北高原的陝西省蒲城縣唐憲宗景陵附近的金幟山上，建設西北授時台。 1966年開始建設，到1970年基本建成並定名為陝西天文台。

1970年，時任國務院總理周恩來曾親筆批示陝西天文台的試播工作。週總理對短波台試播批示的文件，如今是時間科學館的珍貴展品。

2001年，中國科學院報經中央編制委員會批准，將陝西天文台更名為中國科學院國家授時中心。授時中心以時間服務為本，開展授時工作及相關研究，使我國的授時服務和時間頻率研究水平整體躋身世界先進行列。

讀+：聽說國家授時中心最核心的地方是地下室的鐘房，這裡面有時間產生系統？

劉永鑫：時間的產生，是由原子鐘組來共同產生一個秒長信號得到原子時，再結合天文時的時刻，共同組成我們日常生活中使用的時間。所以，原子鐘就構成了時間的重要設備。為了避免受到打擊破壞，同時保證運行環境穩定等其他綜合因素，最終把原子鐘組設在地下室。

讀+：北京時間具體是怎麼產生的？

竇忠：新中國成立時議定，將北京所在時區的時間，作為我國標準時間。 1949年9月27日中國人民政治協商會議第一屆全體會議通過決議：中華人民共和國紀年採用世界公曆，將“中原標準時間”改為“北京時間”。當年9月28日，新華廣播電台（後改為中央人民廣播電台）首次採用北京時間播出。

北京時間涉及時區的概念，因為地球是球體，隨著地球自轉，每一條經線接受到太陽光的時間早晚不同，所以1884年華盛頓國際經度會議上規定，世界時區的起點為通過英國格林尼治天文台的子午線——本初子午線，向東向西每隔經度15度劃一個時區，全球共24個時區，北京所在的時區是東八區。

由於地球自轉的不均勻性，格林尼治標準時間逐漸被以原子時為基礎的“協調世界時”所取代，從1972年開始正式成為國際標準時間，至今仍是全球通用的時間。怎麼協調呢？採用原子時的秒長，同時採用天文時的時刻，這樣計算出來的時間，就是零時區的時間。每個國家處於不同的時區，加上各自地區的時差，就形成各國自己的時間。

新中國成立後，徐家匯觀像台劃歸紫金山天文台，租用上海真如短波無線電台向全國授時；20世紀60年代，北京天文台、上海天文台相繼都承擔過授時任務；20世紀70年代以來，陝西天文台（後更名為中國科學院國家授時中心）先後建立起完備的授時系統、我國獨立原子時系統、協調世界時系統。

眼下世界公認的協調世界時，由全球80多個時間實驗室至少500台原子鐘數據，通過時間傳遞鏈路以德國聯邦物理實驗室（PTB）為樞紐，定期匯總到位於法國巴黎的國際權度局（BIPM）加權計算，產生協調世界時。

讀+：關於時間，各國有一些什麼不同的規定，能否列舉一些生動的例子？

劉永鑫：目前，世界上多數國家都採用其首都所在的區時為本國標準時間，並保持與格林尼治標準時間相差整數個小時。也有少數國家按其需要或民族傳統，其標準時間與區時相差半個小時，如印度和伊朗。

2018年，朝鮮啟用新平壤時間，把鐘錶調快30分鐘，改為以東經135度為基準的東9區時間，由此，朝鮮和韓國時區一致，朝鮮半島統一時區。

我國在授時領域的國際地位處於世界前三

讀+：獨立保持各國時間的意義何在？

竇忠：目前只有80多個實驗室參與“協調世界時”，但全球遠不止這些國家，並不是每個國家都有能力獨立保持各自的時間，有些國家是靠接收國際公約組織發來的標準時間。

但在特殊時期，一旦國際標準時間信號被阻斷，那麼，這個國家所使用一些跟標準時間相關的設備，可能會癱瘓出錯，尤其是對時間精度要求較高的應用。比如，電網、通信、軍事、國家安全等，都跟高精度的標準時間有非常密切的關係，如果外界不提供標準時間，整個系統可能會產生一些不可預估的影響。

20世紀90年代，美國曾在亞太地區關閉GPS衛星信號，導致該地區部分設備癱瘓。

標準時間保持與服務，是關乎國計民生的一項基礎工程，任何一個大國都力圖擁有自己獨立並保持時代最高水平的時間標準和服務系統，北京時間不能單純依靠外界提供，在參與國際時間工作的同時，我們必須做好獨立自主的地方原子時系統。

時間並不是一個點，它是一條不斷流淌的線。我們要保持這個線平穩運行，越接近平均值越好。全球80多個時間實驗室定期向國際權度局提供數據，大家貢獻各自的力量，誰的權重越大，對產生協調世界時的貢獻越大；誰與協調世界時的偏差越穩定，誰的時間保持水平就越高。

讓我們倍感自豪的是，中國科學院國家授時中心保持的標準時間，目前在國際標準時間中的權重排名世界前三。這也意味著，當前我國在授時領域的國際地位，基本上處於世界前三的水平。我們起步晚於歐美國家，通過不停探索和科研進步，我們自主研發出各種類型的原子鐘，擺脫“卡脖子”的束縛。

讀+：我們經常說幾千萬年、幾億年不差一秒，對我們日常生活可能影響不是很明顯，追求這樣的精度意義主要體現在哪些方面？

劉永鑫：如果我們把時間比喻成一把尺子，想量一個1厘米長的東西，尺子刻度至少需要1毫米，這樣才能量得準。如果想量更小的東西，尺子的刻度是不是得更小？

科技前沿探索，對時間精度的需求會更高。比如量子物理或者暗物質、暗能量等方面的研究，就得更高精度的時間“尺子”來衡量。

各個行業對於時間精度的要求並不一樣，比如說電網需求的時間精度，可能沒有衛星導航的需求那麼高。所以現在中國的授時方式也是通過多手段、多精度為用戶服務。比如我們會採用光纖的方式，把最高精度的時間傳遞給有需求的用戶，通過光纖直接點對點地傳輸時間信號。

讀+：多次看到原子鍾亮相國家科技成就展，其中蘊含哪些“黑科技”？

劉永鑫：原子鐘是目前測量時間最精確的工具，其研發涉及到量子物理學、電學、材料學和熱學等多個學科。

原子鍾離人們的日常生活很近，堪稱“時間魔盒”。比如，當我們拿出手機打開導航軟件，能夠看到自己的地理位置，輸入目的地，導航軟件能夠幫助我們規劃路線，實時告訴我們怎麼走。這其中，原子鐘在衛星導航系統中發揮著“心臟”般的作用。

因為導航定位的關鍵便是時間的測量，每顆衛星及地面站裡都配備了一組原子鐘，時間信號隨星曆一同發送，在解算衛星位置的過程中，也能夠同時得到時間信息以及距離。這樣，我們的位置便可以被計算出來。日常生活中的手機等電子產品，通常內置了導航模塊，能夠實時接收衛星發射的信號並依據一定的算法進行解算。於是，便有了我們對自身位置的實時掌控。

一台原子鐘的複雜程度遠遠超出人們的想像，可能需要數百個電子元器件，經過上千次測試驗證，凝結著無數科研工作者的心血。

隨著科學技術不斷發展，各個行業對時間精度的需求也在不斷提高，所以我們也在研發下一代的頻率標準。原子鐘比傳統的計時儀器精度都要高，下一代的更高精度的計時儀器，是以光頻率為基準的光鐘，由國家授時中心研製的鍶原子光鐘已在實驗室閉環運行，各項指標達到國際先進水平，多個國家都在開展這方面的研究。

讀+：國家授時中心產生時間的設備，是否都已經國產化呢？

竇忠：我們一直在國產化道路上努力。早期，我國沒有能力研發原子鐘等裝置，國家在這方面作了很多部署，我們授時中心也以研究國產原子鐘為己任，作出了一些成果。比如，小型光抽運銫原子鐘已投入商用，銫原子噴泉鐘、鍶原子光鐘已在實驗室環境穩定運行。現在我們使用的基準鐘都是自己研發的，對於基準鐘的研究我們也在不斷地進行和提高之中。在這個領域，我們完全自己有能力做得更好。

讀+：我們遇到過哪些瓶頸或“卡脖子”難題？

竇忠：曾經，因為我們的基礎科學相對較弱，一些發達國家的高端成品設備，是禁止向我們出口的。我們想買根本買不到，只能通過自己去研究探索。比如銫原子鐘，國際上兩家大的供應商許多年前就對我國禁售了。我們從源頭開始研究，自主研發的銫原子鐘，原理都跟國外的不一樣，但是最終性能指標基本相近，現在已經投入應用了。

還有一些國際前沿研究，我們也在同步開展。比如鍶原子鐘、下一代的標準等，我們與歐美國家現在處於同一個水平線，基本是並跑。這些科學前沿技術，人家是不會賣給我們的，只能靠自己。

展示中國人的時間觀

讀+：中國幅員遼闊，從西到東跨越五個時區，為何沒有分東部時間、西部時間？

劉永鑫：美國分東部時區、中部時區、山地時區、太平洋時區東部時間、西部時間等等；而我國家是一個團結一致的國家，我們統一規定使用北京時間，其實也是增加了溝通和交流的便利性。

讀+：關於時間，今天我們用起來感覺很簡單，但是實際上簡單後面並不簡單。

劉永鑫：日常生活中我們通常感覺不到時間背後的複雜性。但實際上，時間可以類比於空氣，當生活中充滿空氣的時候，我們幾乎感覺不到它的存在，或者說並不特別重視它的存在；但是當空氣突然沒有了，影響會非常大。

讀+：您作為時間科學館的館長，能否跟我們介紹一下“鎮館之寶”？

劉永鑫：時間科學館的目標是打造獨一無二、令國人耳目一新的時間科學專題博物館，既全面展示古今中外的計時、授時技術，又展現當今世界時頻科技前沿，並揭示一些科學道理。

其中有一些比較特別的展品，比如有一件北宋的水運儀像台，是北宋科學家蘇頌主持建造的以水為動力來運轉的大型天文計時儀器，設計到建造用時6年，整台儀器高約12米、寬約3米、分為3層，是中國古代一個標誌性的天文儀器，集測試、守時、授時於一身。原物在歷史長河中已沒有留存了，我們根據史料復原了古人的智慧結晶。

還有馬上行漏，掛在馬車裡用於記時，這是中國古人發明的可以帶著走的計時器，在當時領先世界。

時間科學館對於中國古代感知時間的方式和儀器作了詳盡的展示。中國古代文明講究的是天人合一和五行，比如君王強調君權天授，皇帝登基以後首先會改年號，以證明其正統性。還有包括二十四節氣、天文地理等，均體現了中華民族的時間觀。

時間科學館對外開放7個年頭，已經成為國家級、省級科普教育基地。我們側重於闡釋中國特色的時間觀，向大家介紹從古至今中華時間文化，以及新時代中國科技的蓬勃發展，在增強文化自信的同時，也提升了科技自信。我們希望像空氣一樣，潤物細無聲地展示時間背後的科學，展示科研工作者通過辛苦努力，讓我們今天可以很便捷地使用高精度的時間，享受科技發展帶來的便利。

（長江日報記者柯立）

【編輯：張靖】

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