北京时间在线时钟精确到毫秒的使用方法

时间，既熟悉又抽象，像空气一般悄无声息。临窗码字到凌晨3时，万籁俱寂，时钟嘀嗒，告诉我们时间稍纵即逝、永不停步：

“嘀嗒”一秒，蜂鸟振翅55次，猎豹在草原飞奔28米，地球已绕太阳转了30千米，飞船飞出近8千米，世界上大约4个宝宝出生，人类吃掉超85吨食物，全球消耗石油约15万升……

古今中外，关于时间的名言金句，不计其数。然而，时间究竟是什么？古罗马思想家奥古斯丁说：“没有人问我，我倒清楚；有人问我，我想说明，便茫然不解了。”

14亿中国人统一使用的北京时间，其实并非“北京特产”。在陕西西安临潼区骊山下，中国科学院国家授时中心的神秘地下钟房里，放置着很多原子钟，这些宝贝们时时刻刻在工作，以3000万年不差一秒的精度，“产生”北京时间。

中国科学院国家授时中心建设的时间科学馆（位于我国西安）。

经过精心筹备，2016年，中国科学院国家授时中心筹建了“时间科学馆”，这是我国目前唯一以时间科学为主题的科普展览馆。为了向社会大众展示时间的奥秘，打造一个便于携带、流动的科学馆，中国科学院国家授时中心的窦忠和刘永鑫，联袂创作了《时间科学馆》一书，被有关部门评为2022年度优秀科普图书。近日，他们接受长江日报《读 》周刊专访，畅谈北京时间背后的故事。

《时间科学馆》窦忠 刘永鑫 编著科学出版社

时间是怎么来的

日月星辰东升西落，是地球自转的反映。地球自转一周为一日，月亮绕地球公转一周为一月，地球绕太阳公转一周为一年——这些今人熟知的常识，却是古人几千年天地间求索的成果。

在时间科学馆中，陈列着一个直径1.4米的巨大树轮，记录着200年岁月变迁：它于1815年清朝嘉庆年间破土萌发，见证了法国物理学家傅科做单摆实验证明地球自转的1851年、清王朝走向覆灭的辛亥革命、两次世界大战、人类首次登上月球的1969年……直到2015年被砍伐。

二百载沧桑，如果放在浩渺的宇宙年历中，不过弹指瞬间。如果把大约138亿年的宇宙演化史浓缩到一年之中，人类上下五千年相当于最后大约10秒，人的寿命只有0.2秒，一闪即逝！

漫步时间科学馆，可以看到人类对时间的测量，亘古至今，孜孜以求，不断追求时间测量精度的极限。

上古无文字，人们结绳记日；渐渐地，我们的祖先根据“日出而作，日入而息”，演变出“立表见影，视影知时”的太阳钟。

黄河中游地区的陶寺遗址，被考古认为是新石器时代晚期城邑,很可能是尧帝时期都城，城中距今4000多年的古观象台，通过台上立柱的缝隙，观测正东方向的塔儿山日出，确定节气时令。

英国巨石阵曾被认为是神秘的外星人遗迹，考古学家推测其建造于公元前3000~前1500年，可能是古代不列颠人建来观测日出日落等天象，以定节气时令、指导农耕，与陶寺遗址古观象台有异曲同工之妙。

从距今4000多年前的圭表到周朝的日晷；从燃烧蜡烛、香料等“烧香知夜，刻烛难更”的火钟，到水钟、沙漏、灯漏等流体钟；从“针表相交”的机械钟到电子元件构成的电子钟，从内置芯片的电波钟到原子钟，再到宇宙中最稳定、最精确的天文钟——脉冲星计时……计时仪器的演进不断推陈出新。

量子物理研究表明，利用原子吸收或释放能量时发出的电磁波，可制成原子钟，计时几千万年甚至几亿年不差1秒，已被广泛应用到科研、天文观测、航海航空、宇宙航行等领域。除了守时型地面原子钟，科学家还在研制卫星或其他航天器上的星载原子钟、光钟。其中，中科院国家授时中心张首刚团队、中科院武汉精密测量科学与技术创新研究院等单位合作研制的芯片原子钟，体积仅2.3立方厘米。

据测量，摆钟的计时精度是10~120秒/日，石英钟表是0.001~0.2秒/日，铯原子钟是1秒/100万年，而锶光钟达到1秒/160亿年。

身为知名科普作家的窦忠感慨：人类在时间测定技术方面的研究，始终站在科技发展潮头，推动着科技的进步与发展；每一个时代的计时仪器，都代表着那个时代最高的科技水平。

高精度时间意义重大

通过测时和计时产生了时间，还要通过各种手段把时间传递发送出去，供各种用户使用，这就是“授时”。

“鸡人呼旦”（人学鸡叫）、打更、晨钟暮鼓是古人的授时方法；近代，出现了落球报时、闪光报时、午炮报时等办法，如民国初年，北洋政府曾在北平城楼上架起两尊退役大炮用作每日中午报时，午炮声响巨大，首次鸣炮就震塌了附近两间民房。

20世纪，无线电授时横空出世；始于20世纪80年代的互联网授时，在21世纪初在全球迅速发展，拥有庞大的用户量；如今，卫星授时成为全球重要的授时手段，已形成美国GPS、俄罗斯GLONASS、中国北斗、欧盟Galileo四大卫星导航系统，卫星授时精度在10纳秒量级。

高精度时间对于国民生活、科研、经济、军事、航天等领域，意义重大。电力、飞机、高铁等指挥运营系统，要求保持与高精度时间同步；5G移动通信基站对时间同步精确性的要求，优于百纳秒；股票高频交易每毫秒300多笔，多1毫秒的时间延迟，会造成不少损失；中国空间站、火星探测等航天工程，对时间同步的要求，达到了纳秒级和皮秒级。

速战速决是《孙子兵法》“作战篇”的核心思想。高精度和高稳定度的时间频率系统对现代军事和国家安全的应用极为重要。信息化作战平台、电子侦察系统、敌我识别系统、精确打击和空中拦截系统等，都需要极高的时间同步精度。1991年海湾战争和1999年科索沃战争后，军事专家惊呼：现代战争中，原子钟比**更重要！近年来，“授时战”成为当今信息化条件下军事斗争的焦点。

【访谈】

北京时间是怎样诞生的？

读 ：大家很好奇国家授时中心为什么设在西安？

窦忠：这其中有历史原因。最早我们国家的时间工作主要是在上海，后来由于多方面的原因，迁到内陆。

新中国成立初期，社会运行和人民生活都需要告诉大家准确时间，于是，授时工作提上日程。当时的主要手段是通过无线电来传播时间信息，而无线电的特性就是从中心向四周辐射，所以授时台选在国土的几何中心相对好一些，便于覆盖全国。

第二个因素也是因为时间工作的重要性，时间对于国家安全、民众生活都有较大的影响，所以我们必须有自己独立研究的时间，它作为一项涉及国家安全的技术，被挪到内陆地区，远离东南沿海。

20世纪60年代，由于大规模经济建设和国防建设需要，国家决定在内陆腹地从速建设一个专用授时台。中国科学院组织上海天文台、紫金山天文台、北京天文台专家，多方踏勘选址，按照“靠山进洞”的战备要求，选定渭北高原的陕西省蒲城县唐宪宗景陵附近的金帜山上，建设西北授时台。1966年开始建设，到1970年基本建成并定名为陕西天文台。

1970年，时任国务院总理周恩来曾亲笔批示陕西天文台的试播工作。周总理对短波台试播批示的文件，如今是时间科学馆的珍贵展品。

2001年，中国科学院报经中央编制委员会批准，将陕西天文台更名为中国科学院国家授时中心。授时中心以时间服务为本，开展授时工作及相关研究，使我国的授时服务和时间频率研究水平整体跻身世界先进行列。

读 ：听说国家授时中心最核心的地方是地下室的钟房，这里面有时间产生系统？

刘永鑫：时间的产生，是由原子钟组来共同产生一个秒长信号得到原子时，再结合天文时的时刻，共同组成我们日常生活中使用的时间。所以，原子钟就构成了时间的重要设备。为了避免受到打击破坏，同时保证运行环境稳定等其他综合因素，最终把原子钟组设在地下室。

读 ：北京时间具体是怎么产生的？

窦忠：新中国成立时议定，将北京所在时区的时间，作为我国标准时间。1949年9月27日中国人民政治协商会议第一届全体会议通过决议：中华人民共和国纪年采用世界公历，将“中原标准时间”改为“北京时间”。当年9月28日，新华广播电台（后改为中央人民广播电台）首次采用北京时间播出。

北京时间涉及时区的概念，因为地球是球体，随着地球自转，每一条经线接受到太阳光的时间早晚不同，所以1884年华盛顿国际经度会议上规定，世界时区的起点为通过英国格林尼治天文台的子午线——本初子午线，向东向西每隔经度15度划一个时区，全球共24个时区，北京所在的时区是东八区。

由于地球自转的不均匀性，格林尼治标准时间逐渐被以原子时为基础的“协调世界时”所取代，从1972年开始正式成为国际标准时间，至今仍是全球通用的时间。怎么协调呢？采用原子时的秒长，同时采用天文时的时刻，这样计算出来的时间，就是零时区的时间。每个国家处于不同的时区，加上各自地区的时差，就形成各国自己的时间。

新中国成立后，徐家汇观象台划归紫金山天文台，租用上海真如短波无线电台向全国授时；20世纪60年代，北京天文台、上海天文台相继都承担过授时任务；20世纪70年代以来，陕西天文台（后更名为中国科学院国家授时中心）先后建立起完备的授时系统、我国独立原子时系统、协调世界时系统。

眼下世界公认的协调世界时，由全球80多个时间实验室至少500台原子钟数据，通过时间传递链路以德国联邦物理实验室（PTB）为枢纽，定期汇总到位于法国巴黎的国际权度局（BIPM）加权计算，产生协调世界时。

读 ：关于时间，各国有一些什么不同的规定，能否列举一些生动的例子？

刘永鑫：目前，世界上多数国家都采用其首都所在的区时为本国标准时间，并保持与格林尼治标准时间相差整数个小时。也有少数国家按其需要或民族传统，其标准时间与区时相差半个小时，如印度和伊朗。

2018年，朝鲜启用新平壤时间，把钟表调快30分钟，改为以东经135度为基准的东9区时间，由此，朝鲜和韩国时区一致，朝鲜半岛统一时区。

我国在授时领域的国际地位处于世界前三

读 ：独立保持各国时间的意义何在？

窦忠：目前只有80多个实验室参与“协调世界时”，但全球远不止这些国家，并不是每个国家都有能力独立保持各自的时间，有些国家是靠接收国际公约组织发来的标准时间。

但在特殊时期，一旦国际标准时间信号被阻断，那么，这个国家所使用一些跟标准时间相关的设备，可能会瘫痪出错，尤其是对时间精度要求较高的应用。比如，电网、通信、军事、国家安全等，都跟高精度的标准时间有非常密切的关系，如果外界不提供标准时间，整个系统可能会产生一些不可预估的影响。

20世纪90年代，美国曾在亚太地区关闭GPS卫星信号，导致该地区部分设备瘫痪。

标准时间保持与服务，是关乎国计民生的一项基础工程，任何一个大国都力图拥有自己独立并保持时代最高水平的时间标准和服务系统，北京时间不能单纯依靠外界提供，在参与国际时间工作的同时，我们必须做好独立自主的地方原子时系统。

时间并不是一个点，它是一条不断流淌的线。我们要保持这个线平稳运行，越接近平均值越好。全球80多个时间实验室定期向国际权度局提供数据，大家贡献各自的力量，谁的权重越大，对产生协调世界时的贡献越大；谁与协调世界时的偏差越稳定，谁的时间保持水平就越高。

让我们倍感自豪的是，中国科学院国家授时中心保持的标准时间，目前在国际标准时间中的权重排名世界前三。这也意味着，当前我国在授时领域的国际地位，基本上处于世界前三的水平。我们起步晚于欧美国家，通过不停探索和科研进步，我们自主研发出各种类型的原子钟，摆脱“卡脖子”的束缚。

读 ：我们经常说几千万年、几亿年不差一秒，对我们日常生活可能影响不是很明显，追求这样的精度意义主要体现在哪些方面？

刘永鑫：如果我们把时间比喻成一把尺子，想量一个1厘米长的东西，尺子刻度至少需要1毫米，这样才能量得准。如果想量更小的东西，尺子的刻度是不是得更小？

科技前沿探索，对时间精度的需求会更高。比如量子物理或者暗物质、暗能量等方面的研究，就得更高精度的时间“尺子”来衡量。

各个行业对于时间精度的要求并不一样，比如说电网需求的时间精度，可能没有卫星导航的需求那么高。所以现在中国的授时方式也是通过多手段、多精度为用户服务。比如我们会采用光纤的方式，把最高精度的时间传递给有需求的用户，通过光纤直接点对点地传输时间信号。

读 ：多次看到原子钟亮相国家科技成就展，其中蕴含哪些“黑科技”？

刘永鑫：原子钟是目前测量时间最精确的工具，其研发涉及到量子物理学、电学、材料学和热学等多个学科。

原子钟离人们的日常生活很近，堪称“时间魔盒”。比如，当我们拿出手机打开导航软件，能够看到自己的地理位置，输入目的地，导航软件能够帮助我们规划路线，实时告诉我们怎么走。这其中，原子钟在卫星导航系统中发挥着“心脏”般的作用。

因为导航定位的关键便是时间的测量，每颗卫星及地面站里都配备了一组原子钟，时间信号随星历一同发送，在解算卫星位置的过程中，也能够同时得到时间信息以及距离。这样，我们的位置便可以被计算出来。日常生活中的手机等电子产品，通常内置了导航模块，能够实时接收卫星发射的信号并依据一定的算法进行解算。于是，便有了我们对自身位置的实时掌控。

一台原子钟的复杂程度远远超出人们的想象，可能需要数百个电子元器件，经过上千次测试验证，凝结着无数科研工作者的心血。

随着科学技术不断发展，各个行业对时间精度的需求也在不断提高，所以我们也在研发下一代的频率标准。原子钟比传统的计时仪器精度都要高，下一代的更高精度的计时仪器，是以光频率为基准的光钟，由国家授时中心研制的锶原子光钟已在实验室闭环运行，各项指标达到国际先进水平，多个国家都在开展这方面的研究。

读 ：国家授时中心产生时间的设备，是否都已经国产化呢？

窦忠：我们一直在国产化道路上努力。早期，我国没有能力研发原子钟等装置，国家在这方面作了很多部署，我们授时中心也以研究国产原子钟为己任，作出了一些成果。比如，小型光抽运铯原子钟已投入商用，铯原子喷泉钟、锶原子光钟已在实验室环境稳定运行。现在我们使用的基准钟都是自己研发的，对于基准钟的研究我们也在不断地进行和提高之中。在这个领域，我们完全自己有能力做得更好。

读 ：我们遇到过哪些瓶颈或“卡脖子”难题？

窦忠：曾经，因为我们的基础科学相对较弱，一些发达国家的高端成品设备，是禁止向我们出口的。我们想买根本买不到，只能通过自己去研究探索。比如铯原子钟，国际上两家大的供应商许多年前就对我国禁售了。我们从源头开始研究，自主研发的铯原子钟，原理都跟国外的不一样，但是最终性能指标基本相近，现在已经投入应用了。

还有一些国际前沿研究，我们也在同步开展。比如锶原子钟、下一代的标准等，我们与欧美国家现在处于同一个水平线，基本是并跑。这些科学前沿技术，人家是不会卖给我们的，只能靠自己。

展示中国人的时间观

读 ：中国幅员辽阔，从西到东跨越五个时区，为何没有分东部时间、西部时间？

刘永鑫：美国分东部时区、中部时区、山地时区、太平洋时区东部时间、西部时间等等；而我国家是一个团结一致的国家，我们统一规定使用北京时间，其实也是增加了沟通和交流的便利性。

读 ：关于时间，今天我们用起来感觉很简单，但是实际上简单后面并不简单。

刘永鑫：日常生活中我们通常感觉不到时间背后的复杂性。但实际上，时间可以类比于空气，当生活中充满空气的时候，我们几乎感觉不到它的存在，或者说并不特别重视它的存在；但是当空气突然没有了，影响会非常大。

读 ：您作为时间科学馆的馆长，能否跟我们介绍一下“镇馆之宝”？

刘永鑫：时间科学馆的目标是打造独一无二、令国人耳目一新的时间科学专题博物馆，既全面展示古今中外的计时、授时技术，又展现当今世界时频科技前沿，并揭示一些科学道理。

其中有一些比较特别的展品，比如有一件北宋的水运仪象台，是北宋科学家苏颂主持建造的以水为动力来运转的大型天文计时仪器，设计到建造用时6年，整台仪器高约12米、宽约3米、分为3层，是中国古代一个标志性的天文仪器，集测试、守时、授时于一身。原物在历史长河中已没有留存了，我们根据史料复原了古人的智慧结晶。

还有马上行漏，挂在马车里用于记时，这是中国古人发明的可以带着走的计时器，在当时领先世界。

时间科学馆对于中国古代感知时间的方式和仪器作了详尽的展示。中国古代文明讲究的是天人合一和五行，比如君王强调君权天授，皇帝登基以后首先会改年号，以证明其正统性。还有包括二十四节气、天文地理等，均体现了中华民族的时间观。

时间科学馆对外开放7个年头，已经成为国家级、省级科普教育基地。我们侧重于阐释中国特色的时间观，向大家介绍从古至今中华时间文化，以及新时代中国科技的蓬勃发展，在增强文化自信的同时，也提升了科技自信。我们希望像空气一样，润物细无声地展示时间背后的科学，展示科研工作者通过辛苦努力，让我们今天可以很便捷地使用高精度的时间，享受科技发展带来的便利。

（长江日报记者柯立）

【编辑：张靖】

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