作者：陈欢欢 来源：中国科学报微信公众号 发布时间：2024/3/7 8:52:54 6park.com
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甩掉“洋拐棍” 中国迎头赶上
——创制“北京时间”攻关纪实
 
“北京时间7点整。”
当这熟悉的声音从广播电视中传来，人们往往会好奇，什么是“北京时间”、它是如何产生的、它的精度有多高、在国际上处于什么水平。
带着这些问题，我们走进产生、保持和发播“北京时间”的单位——中国科学院国家授时中心（以下简称授时中心）。在这里，我们了解到，看似寻常的“北京时间”背后，是中国科学家攻坚克难、甩掉“洋拐棍”的故事。
从最早使用进口钟，到如今掌握国际上最先进的原子钟技术，70余年来，几代“北京时间”守护者以有效满足国家需求为使命，将国家意志牢记于心，坚持追求“代表国家最高水平”，为国守时，无问西东。
如今，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。其准确度、稳定度及对国际标准时间产生的贡献权重稳居世界前列，并有望在近年内冲击全球第一。
时间要那么精确有啥用
阮军在授时中心读了6年博士才毕业。朋友们经常好奇地问他：“你到底是干什么工作的？博士为什么要读这么久？”
“做原子钟，保证‘北京时间’更加精准。”
朋友听得似懂非懂，往往会追问一句：“时间要那么精确有啥用？”
确实，在大众的观念中，时间精确到分钟就可以了，连秒都不需要，更不用说皮秒、飞秒、阿秒、仄秒了。
阮军告知，时间这一物理量之所以重要，不仅在于其本身，还在于可以应用其提高相关物理量与物理常数的测量精度，检验一些基础理论，如相对论的正确与否。
其中，最常见的需求是测距离。一座山到另一座山有多远？出海的舰艇离港口有多远？空中的卫星距离地面有多远？世界上没有一把长到能够测量出这些距离的尺子，而通过发射电磁波并测量电磁波传输的时间，再乘以电磁波速度，就能得出任意两点间的距离。
重点是，由于电磁波传播速度在自由空间高达每秒30万公里，如果计时器每秒有1微秒，即百万分之一秒的误差，最后得出的距离数据就会相差300米。
举例来说，假如载人飞船和空间站交会对接时出现了几秒误差，这并不意味着它们会比原定时间晚一点对接，而是根本无法对接；发射和测控巡航导弹时，更是“差之毫厘，谬以千里”；飞机、军舰、战车都需要测量信号从卫星到自身所用的时间，以确定位置、校正航向。
可以说，一个测不准时间的国家，是没有条件打一场现代战争的。
“海湾战争时期美国就打出了导航战。现在，授时战又成为一种新的战争形态。”授时中心党委书记窦忠指出，最近世界上发生的几次战争中，当地上空的导航和时间信息都有被破坏的痕迹。
在民用领域，高精度时间同样意义非凡。有了毫秒级的时间，电网可以高效运行；有了百纳秒级的时间同步，移动通信可以进入5G时代；有了纳秒级的时间应用，卫星导航才能提供精准服务……
授时中心主任张首刚介绍，时间是7个基本物理量中测量精度最高、应用最广的一个，精度比其他物理量高出至少四五个量级，且没有“天花板”。随着基础研究的不断深入和科学技术的发展，无论是国民经济还是国防建设、国家安全等，对时间精度的需求都在不断提高。
“这是一辈子都做不完的事，也是值得做一辈子的事。”张首刚说。
“北京时间”正式开始

叶叔华在徐家汇观象台进行时间观测。上海天文台供图

时间回到70年前，在位于祖国东部沿海的上海，一位刚参加工作的女大学生同样在苦苦追问：时间要那么精确到底有啥用？
她就是“北京时间”创制奠基人之一、中国科学院院士、中国科学院上海天文台原台长叶叔华。
1949年，中国人民政治协商会议第一届全体会议通过4项决议案，分别是确定首都、纪年、国歌和国旗，并将“中原标准时间”改为“北京时间”，以首都北京所在的东八时区的区时为标准。之后，中国科学院领命接管了原先上海法租界的徐家汇观象台，正式开始了“北京时间”的建立工作。
这项工作落到了20岁出头的叶叔华身上，工作内容似乎极其简单——白天做算术，晚上看星星。
当时全世界统一使用的世界时以地球自转为基准，要靠观测恒星的位置来确定。徐家汇观象台作为中国唯一可以发播标准时间的天文台，每天上午11时和下午5时准时通过租用的商业电台向全国授时，每次播报5分钟。
叶叔华从小成绩优异。高考完，父亲让她去打听考上没有，她不紧不慢地说：“不用打听，我肯定考上了。”果然，叶叔华以第一名的成绩考入中山大学数学天文系。
这样一个聪慧的人，每天却要重复进行严格又枯燥的观测和计算工作。回忆起往事，今年已97岁高龄的叶叔华笑着告诉记者：“来了3天就想走了。别人都以为搞天文的很浪漫，一旦自己上手就讨厌死了，心里很不甘，难道一辈子就这样了吗？”
叶叔华后来之所以改变想法，是因为她了解到就是这样一份枯燥难耐的工作，对当时正在进行的全国地图测绘至关重要。
“世界时实际上是地球在宇宙中的位置。”叶叔华说，绘制地图需要在统一的时间标准下测量位置，才能将分散的地图拼起来。而过去的中国，军阀混战，连一张统一的地图都没有。
原来，在高山上、森林里、大漠中，每日都有许多人守在无线电设备前，通过听徐家汇观象台播报的时间来校准自己的小钟。只有这些小钟足够精准，我们的地图才足够清晰，一穷二白的新中国才能开展急需的基础设施建设。
从此，叶叔华仿佛打通了“任督二脉”，拼了命也要把工作做好。
很快，叶叔华施展才华的机会来了。1958年，徐家汇观象台着手筹建我国自己的综合世界时系统，31岁的叶叔华挑起了这个担子。
那时的徐家汇观象台设备老旧、技术过时，特别是钟。叶叔华回忆，那是一台法国传教士留下的老式摆钟，摇摇欲坠，经常要拿糯米糨糊修修补补。因此，在全球60多个天文台参与报时的国际标准时间中，中国的权重一直排在末尾。后来，在国家支持下，徐家汇观象台“鸟枪换炮”，终于拥有了一台当时最先进的石英钟。
此外，中国还需要自创一套测时算法。经过反复试验，叶叔华采用独特的方法——对观测员根据其误差变化取平均值，从而创立了一套独立的时间测量方案。
1965年，我国“综合时号改正数”通过国家技术鉴定；1966年初，正式作为我国的世界时基准，即“北京时间”向全国发播。
“326”工程 6park.com

短波授时台地下发射机房入口。授时中心供图

1964年，我国第一颗原子弹爆炸成功，紧接着就要加紧研制“两弹一星”中的导弹和人造卫星。而这两项工作都极度依赖精准的时间系统，且需要每天连续24小时不间断发播时间信号。考虑到上海偏隅东部，信号间断且不能覆盖到西部边疆，同时不符合战备安全要求，国家明确提出“在西安地区建立短波授时台”，并纳入国家第三个五年计划中的重点项目进行建设。
最终确定的台址是陕西省蒲城县金帜山，位于唐宪宗陵附近。此地距离中国的大地原点——陕西省泾阳县不足100公里。除了建设短波授时台外，项目还开展世界时和原子时研究工作，代号“326”工程。
科技“国家队”——中国科学院再次领命，组织一批科学家和相关专业毕业的大学生，从上海、南京、北京等地奔赴大西北。大家怀着满腔热情，坐着大卡车进入金帜山，可到现场却傻了眼。
原中国科学院陕西天文台（授时中心前身）台长漆贯荣是当时的23名大学生之一，毕业于南京大学天文系。他和6名同班同学一起被分配到“326”工程，其他同学则留在南京、无锡等地参加工作。因为能参与国家重大项目建设，7人既自豪又感到幸运。后来，一位留在苏州工作的同学坐火车来陕西，经过软磨硬泡，缠得领导最终同意他留下工作。
然而，当时短波台选址在荒山野岭，宿舍建在山坡上。说是到短波台工作，可短波台又在哪儿呢？漆贯荣的同班同学王正明形容：“好像一盆冷水从头顶浇了下来。”
大家首先要解决“三通”问题——通水、通电、通路。漆贯荣领到的任务是通路，人送外号“路局长”。他先找到一家设计单位画了图纸，再找附近农民帮助施工，不到3个月就铺通了一条石子路。
通水则麻烦得多，他们往地下打了100多米都没有找到水，后来不得不引水上山。山上老乡家用的是露天接下的窖水，他们有时渴了向老乡讨水喝，得到的往往是一个馒头。当时的金帜山是名副其实的不毛之地，连一棵树都没有。有一次漆贯荣被晒得受不了，只得找了一个地洞钻进去，进去才发现那是一个盗洞，墙上还清晰地保留着前人的手印。
就这样，不管是领导、科学家还是大学生，不管是男同志还是女同志，大家一起卸钢筋、拉水泥，不分昼夜地工作，不知道磨坏了多少副帆布手套。没有吊车，他们就在地上铺钢管，将几吨重的机器一点一点往前挪……
那时交通不便，去邻县办事要走三四天，除了搭老乡的马车，就是靠两条腿走。生活虽苦，精神头却很足，就这么一块石头一块石头地搬，他们用不到3年时间“搬”出了新中国第一座国家标准时间专用短波授时台。
1970年，“326”工程建成竣工，周恩来总理亲自批示，从1971年1月1日起正式启用。从此，我国具备了自主可控、全国土覆盖、连续发播的陆基无线电授时能力。“326”工程也正式更名为“中国科学院陕西天文台”。这些来自天南海北的年轻人大部分都留在了陕西，从风华正茂到白发苍苍，为祖国的时间频率科技事业奉献终生。
1998年，短波授时台经过技术升级在新址重新建设运行，金帜山上的短波授时台结束历史使命，停用封存，后被列为省级重点文物保护单位、国家工业遗产。如今，地面大厅作为国家科学家精神教育基地再次向公众开放。
今天，来到位于山洞中的短波授时台发射机房，推开厚重的防核弹级别的大门，依旧能闻到浓烈的柴油味儿，一些废旧仪器设备表面还留有清晰的红字：“人民，只有人民，才是创造世界历史的动力。”一般人在这里待上几分钟，就会感受到密闭恐惧的压力。很难想象当时的技术人员是如何在这阴暗潮湿的山洞里每日三班倒、不分昼夜地工作的。
“326”工程竣工后不久，它的兄弟工程“3262”工程登上了历史舞台。
独立自主的工程 6park.com

长波授时台技术人员在工作。授时中心供图

“3262”工程指1973年启动建设的长波授时系统工程。同短波相比，无线电长波信号稳定性好、抗干扰能力强，授时精度比短波高3个数量级，但技术复杂度也更高，美国和苏联也是在20世纪五六十年代才开始建设长波授时系统的。苏联曾提议同我国共建长波授时导航系统，但我国领导人认为授时系统必须掌握在自己手中，要走独立自主的道路。
缺乏参考资料，中国能不能搞起来？钱学森先生在方案论证会上的讲话鼓舞了大家，他说：“‘3262’工程不光是科委的需要，不光对尖端技术重要，而且与我国自然科学，乃至整个科学的发展，都有关系。”
就这样，同研制“两弹一星”一样，来自中国科学院、电子工业部等全国几十家科研单位的上千名科学家、技术工人如潮水般再一次涌向陕西蒲城。这一次，通过自力更生，他们在距离短波授时台不远处建设了一座颇为壮观的地下4层发播机房，深达25米，与地面宏大的天线系统一起，构建了长波授时系统。
分别来自北京和上海的“3262”工程技术负责人戴中溶和苗永瑞在这个时候加入了建设团队。
戴中溶的一生颇有传奇色彩。他和钱学森是上海交通大学同一届的校友，1934年毕业后被分配到西安国民革命军，师长胡宗南对这个上海来的高才生非常器重，命他组建无线电通信网，后任机要室副主任、少将军衔。但戴中溶在目睹了国民党的黑暗之后萌生去意，在妹妹的帮助下成为一名红色特工。1947年9月，由于叛徒出卖，戴中溶被捕入狱，但军统特务搜遍他的住所，也没有找到只言片语的证据，最后被判刑10年，在监狱中等到了解放。
1972年，任中国科学院二局副局长的戴中溶，在63岁时接下了主持建设长波授时台的重任。他技术精湛、为人和善，年轻人都称呼他“老戴”。也许是在隐秘战线工作中形成的风格，老戴做事从不张扬、不计名利，令人钦佩。
苗永瑞则是作为科研骨干从上海天文台被派至“3262”工程的。他曾在苏联天文总台进修过3年，对时间工作和天文观测都非常熟悉。在他的带领下，长波授时台将我国授时精度提高了1000倍。工程竣工后，苗永瑞担任陕西天文台副台长、台长等职，培养了一批科研骨干。1987年卸任台长后，由于家眷仍在上海，苗永瑞回到上海天文台工作，1991年当选为中国科学院院士。可惜天妒英才，1999年苗永瑞因患胰腺癌去世。
叶叔华评价说：“苗永瑞为建设陕西天文台立了大功，使我国时间服务工作既能满足国家需要，又成为国际上重要的授时台。”
1983年，长波授时台竣工，开始以全功率试验发播长波授时信号。1984年，长波授时台彩车参加了国庆35周年游行，彩车上写了几个大字——同步精度百万分之一秒。
要知道，这样的时间精度是在系统器件国产化率100%的前提下取得的。整个“3262”工程，大到发射机、天线，小到二极管、电容，完全依靠我国科技工作者独立自主研制完成。他们在国外技术封锁的大环境下走出了一条自主创新之路。1988年，“长波授时系统的建立”荣获国家科技进步奖一等奖。
50多年来，从“东方红一号”到北斗卫星，从我国首枚运载火箭到“嫦娥”飞天，长短波授时系统为国家重大任务提供了可靠的高精度授时服务，多次受到国家嘉奖。
如愿 6park.com

授时中心的铯原子钟。李子锋/摄

1969年，新中国成立20周年国庆前夕，有关部门曾上报我国授时工作的成就，周恩来总理看到后询问用的什么钟，答曰进口钟。周总理便说先不要宣传，要甩掉“洋拐棍”，下决心研制先进的标准钟，赶上并超过他们。
这里提到的标准钟便是原子钟。与传统计时仪器相比，它的先进性迈上了一个大台阶。
20世纪50年代，美国率先提出原子钟的概念，它以原子的共振频率来计时。1967年，国际计量大会将时间单位“秒”的定义由此前的天文定义修改为原子定义——铯原子基态超精细能级间量子跃迁时所产生的电磁波，振动9192631770个周期所持续的时间为1秒。5年之后的1972年，国际上又将通用的国际标准时间，从单纯基于地球自转测量的世界时，修改为结合了原子时和世界时的“协调世界时”。
张首刚介绍，在时间科学领域，谁掌握更先进的技术，谁就处于领先地位、拥有话语权。继美国之后，法国发明了冷原子铯喷泉钟，将原子钟的精度又提升了一个数量级。而我国也曾上马过小型铯束原子钟攻关项目，但因为种种原因未能取得成功。除了涉及多学科交叉的前沿理论外，还需要高精尖技术能力，包括材料和加工等，研发难度极高。
2004年从法国巴黎第六大学博士毕业后，张首刚回国工作，立志做出“中国制造”的铯喷泉钟。此举令他的法国导师极其不解：“你在这里已经做了世界上最好的原子钟，为什么还要回国？”
张首刚当时并没有回答，因为他的答案也许只有中国人才懂：“因为我的祖国需要。”
回国后，为了加快研究落地的进度，张首刚采用了同企业合作成立联合实验室的方式。前期研发阶段，企业派驻两名职工全程参与；后期生产阶段，科研人员则长期“泡”在企业里，指导研制。一次，张首刚听见企业老领导问他们的年轻干部“什么时候能把国家需要的小铯钟做出来”，他便知道，找对了合作企业。
小铯钟是目前最主流的守时原子钟，美国从20世纪50年代起就对这一技术严防死守，连欧洲都限制出口，中国想购买更是困难重重。
经过几年摸索，2017年，张首刚团队与企业合作，基于新理论和新技术，研制出国际首款激光抽运小铯钟产品，性能比美国产品还要好，除了装备我国的时间、导航、5G通信等系统外，还出口到欧洲。
2018年，美国宣布对中国彻底禁售小铯钟。幸好，我们提前啃下这块“硬骨头”，避免了一次“卡脖子”。
此外，团队还研发出性能先进的冷原子铯喷泉基准钟、冷原子锶光钟、世界上体积最小的高性能芯片原子钟，以及除美国外，只有我国研发出的铷原子喷泉守时钟。
如今在授时中心，有40多台不同类型的守时原子钟连续运行，综合产生着稳定的“北京时间”，并通过铯喷泉基准钟自主校准。“现在，世界上除了美国，就只有我们中国拥有产生国家标准时间的所有核心设备的研发能力。我们可以不受外界干扰，自主保持‘北京时间’的准确性和稳定性。”张首刚说。
2018年，国际权重和度量局致函授时中心，表示其“具有发达的守时能力，时间偏差稳定保持在5纳秒之内，已经进入国际领先行列”。而如今，这一偏差已经稳定在2纳秒之内，位列全球前三，且偏差还在持续减小。
张首刚表示，世界时除了能提供标准时间外，还是实现地球坐标系与天球坐标系转换的重要参数，可以说是一种战略资源。20世纪90年代，我国在应用西方主导的联测数据后停止了自主测量，结果在后来的几次航天发射和军事活动中，都“巧遇”国外数据无法下载的情况。现在，授时中心建成我国自主的世界时测量与服务系统，满足了国家需求，实现了“北京时间”产生的科技自立自强，并正在建设更为先进的星地交叉立体国家授时体系。
展望未来，国际上公认的光钟也许会取代铯原子钟，重新定义时间单位“秒”。“光钟比铯原子喷泉基准钟的精度还要高两三个量级，达到运行几十亿年误差不到1秒。”张首刚表示。
面对这样一个改写教科书的机会，世界各国都在加紧研发。
2022年10月31日，我国空间站梦天实验舱顺利发射，其搭载的由3台钟组成的世界首套空间原子钟组，其中就包括世界上第一台空间光钟。中国科学院的建制化优势再次得到充分发挥，十几家单位、200多人、历时10余年的通力合作，共同研制出空间站高精度时频实验系统。
历时近半个世纪，重温周恩来总理甩掉“洋拐棍”的愿望，如果时间会说话，它应该会说：这盛世，如你所愿。
《中国科学报》 (2024-03-07 第3版 专题)