升国旗一秒不差，凭的啥？

原创： 张晓斐 返朴

在心理认知和群体行为层次上，时间大概是一个最没有标准的东西了（比如“马上到”“等一下”这些日常用语所体现出来的不靠谱），而在计量层次上，时间的标准在各种物理量当中可算是最精确的了。这个有趣的现象反映的大概是时间的约定性差异。随着技术的高速发展，现代社会在逐步告别“从前慢”，这种约定差异在不知不觉缩小。人类对于准时性的要求越来越高，现代时间计量也已从宏观的“观天授时”走向依赖于微观层面的原子过程。时间认知与人类发展的伴生问题过于复杂，我们暂且搁下 “时间都去哪了”的问题，先看看时间标准从何而来。我们常常说的北京时间又是哪儿的时间？

撰文 | 张晓斐（中国科学院国家授时中心研究员，中国科学院大学天文与空间科学学院岗位教授）

近日上映的国庆献礼片《我和我的祖国》讲述了七个故事，其中《回归》还原了1997年7月1日香港回归的盛况。对于时任外交部礼宾司副司长、交接仪式总指挥安文彬来说，他最重要的任务便是保证五星红旗在7月1日0时0分0秒准时升起，一秒不差，让香港的主权准时回归祖国。

《我和我的祖国》剧照

当时，对于7月1日0时0分0秒这个时刻，是该英国降旗还是中国升旗，中英双方进行了16次外交谈判。这一秒代表的是中国对香港回归的底线，必须一秒都不能差，而真正做到“一秒不差”就要依靠精准的计时和授时。要保障精准计时和授时，则不得不说中国时间计量发展中最重要的一环——原子钟的发展，其对“一秒”的精度也有着同样的执着。

时间究竟是什么？ ——时间的定义计量

说起时间，每个人都会说我知道。可是，时间究竟是什么，却总是很难说清楚。其实，自从地球上出现人类的那天起，时间的测量一直是人类日常生活必不可少的一项工作。时间作为基本物理量之一，是目前测量精度最高也是人类生活应用最广泛的物理量。时间的单位是秒，最早的时间是以地球自转作为标准，称为世界时。它对秒的定义是指一个平太阳日的1/86400为1秒。

后来的研究发现，地球自转速率并不均匀，之后经过长期观测后，人们采用准确度更高的历书时对时间单位“秒”进行定义。这种基于天体测量对时间进行定义的天文时间对人类历史的发展作出了巨大的贡献。然而天体的运动速率并不是完全均匀的，其周期也并非完全稳定，因此对测量的精度有很大的限制，而且观测时间长，不能很好地满足现代科学技术高速发展的需要。

如何精确量出一秒？ ——原子时的出现

随着量子物理学（激光冷却原子技术）和激光光谱学的迅速发展，人们开始认识到原子或分子振荡的周期非常稳定，其精度远远高于基于天体运动作为标准的世界时和历书时，用其来定义秒可以使秒的精度得到极大地提高。利用原子振荡频率确定的时间标准，我们一般称之为原子时[1]。1967年，第十三届国际计量大会通过决议，把原来基于天体宏观周期运动的时间单位“秒” 长定义，改为基于原子内部的微观运动，将 “秒” 长定义为铯（133Cs）原子基态的两个超精细结构子能级间跃迁电磁辐射周期的 9192631770 倍所持续的时间。

而 “秒” 长定义的复现和时间频率的精确测量则需要依靠量子频标来实现。量子频标又称“原子频标”，简单地讲，原子频标是应用原子或离子内部能级间的跃迁频率作为参考，锁定晶体振器（简称“晶振”）或激光器频率，从而输出标准频率信号的信号发生器。在计量学中，我们称其为频率标准器具，它是当代第一个基于量子力学原理做成的计量器具。由于物体运动周期与频率成反比，所以原子频标通常又叫原子钟。实际上，原子钟应该是能够产生时间信号（如秒脉冲）并有计数装置的原子频标。近三十多年来，随着新物理理论和新技术成果的应用，人们研制出了不同类型的新型原子钟，它们已经或即将应用于卫星导航定位系统[2]。

原子钟也有多种，如何寻找最精准的原子钟？

铯（Cs）原子具有的一些属性使其成为基于原子共振跃迁的频率标准，在20世纪50年代早期，世界上许多实验室已经开始了对基于铯原子的时间频率标准的研制。铯原子的原子质量相对较重，因此，它们的移动速度相对较慢，在室温下约为每秒130米，这就使得铯原子与微波场的作用时间较长。

此外，铯也有相对较高的超精细跃迁频率（9.2 GHz），例如铷和氢原子的超精细跃迁频率分别为6.8 GHz和1.4 GHz。1955年，英国国家物理实验室 (NPL) 研制出了第一台铯原子钟，获得1×10-9的不准确度[3]。由铯提供的高精度和准确度时间频率标准导致了对时间单位 “秒” 的新定义的产生。经过60余年的发展，目前的铯原子钟的准确度已经达到了10-16，其精度接近1亿年不差一秒[3]。

随着半导体激光技术、电磁囚禁技术、激光冷却和陷俘原子技术等新技术的发展，以及新物理原理的应用，新型原子钟技术的发展十分迅速。一方面人们应用这些新技术探索性能更高的新标准，另一方面努力寻求小型化的新途径。这些新物理原理和新技术的成功应用，催生了以超冷原子为工作物质的原子喷泉、离子储存、中性原子囚禁等类型的冷原子钟和光钟，使原子钟的稳定度和准确度提高了1～2个数量级，甚至达到10-18。20世纪90年代后，尤其是最近几年，这些新技术被引进到我国，并且在国内迅速发展，新型原子钟的研究已经蓬勃发展[4]。

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如喷泉般上抛和下落——冷原子喷泉钟

时间频率基准钟装置是运行在一定的实验室环境，具有自我评估能力的最高时间频率标准装置，是时间频率计量单位传递的源。近十几年来，作为各国的时间频率基准，传统的磁选态和光抽运大型铯束原子钟逐渐被铯原子喷泉钟取代。

原子喷泉的基本想法如图 1 所示，我们搭建一个竖立的真空装置，真空中充有工作介质（铷或铯）的饱和蒸气，利用激光方法俘获原子，并将其冷却到非常低的温度，将原子上抛。原子在上抛和下落的过程中只受到重力的作用，它两次穿过微波腔，与时间上的分离振荡场作用，产生钟跃迁，然后探测不同能级的原子。最后获得与 Ramsey 钟跃迁相应的荧光信号。应用该荧光信号即可完成对实用频标的频率锁定。我国先后从事冷原子喷泉钟研究的有北京大学、中国计量科学研究院、中国科学院上海光机所和中国科学院国家授时中心。

图1 原子喷泉概念示意图

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准确度更高的冷原子光钟

原子钟的准确度和稳定度均以其所应用的量子跃迁谱线频率的相对值来表示。与微波信号相比，光信号的频率高，并且有一些原子或离子的光学频率跃迁谱线很窄，其相应的Q值（谱线质量因子）高达1018。利用这些谱线实现的频标，即光频标，具有极高的频率稳定度，其准确度和稳定度将优于10-18。

近些年来，原子冷却技术，尤其是光晶格原子囚禁技术的飞速发展，使基于冷原子样品而实现的光频标拥有高准确度的潜力，并且具有高信噪比和低量子投射噪声。世界发达国家纷纷开展了基于冷原子的光频标研制。冷原子光钟研究进展非常迅速，一些实验室相继报道的数据表明，其研究的冷原子光钟的稳定度和准确度性能已超越了铯原子喷泉钟[2]。

目前，锶光钟的稳定度和准确度达到10-19量级，比喷泉钟高4-5个量级。

用于光钟的原子多为碱土金属原子，它们的外层轨道有2个电子，作为 “钟” 跃迁参考的是它们的单重态 1S0 到三重态 3P0，1，2之间的跃迁，其跃迁频率在光频波段。用作光钟的粒子可以是离子，如汞离子(Hg+) 、镱离子(Yb+) 、锶离子 (Sr+) 和铟离子(In+) 等，也可以是中性原子，如钙 (Ca) 、锶 (Sr) 、镱 (Yb) 和镁 (Mg) 原子等。其作用原理与微波谐振器类似，只不过在这里 “本机振荡器” 不是晶振，而是稳频激光器。其主要构件如图 2 所示。

图2 光频标主要构件图

激光冷却的原子（离子)，用稳频激光器的脉冲去探测，激励被冷却的原子产生 “钟” 跃迁。用声光调制器 (AOM) 来调节探测激光的频率，使它接近原子的共振频率，原子的跃迁信息由光电倍增管收集原子荧光来进行检测。对探测激光频率进行调制，原子跃迁产生的信号作参考通过 AOM 和伺服系统，将探测激光频率锁到原子的共振中心，构成光频标。激光线宽由很好隔离的光腔压缩，并被稳定到原子跃迁中心。光梳把激光的频率精确地传递到其他光频和微波范围。

在我国，华东师范大学与中国科学院武汉物数所开展了镱原子光钟的研究，中国计量科学研究院和中科院国家授时中心正在开展锶原子光钟的研究（图3）[4]。

图3 国家授时中心锶原子光钟实验系统

每一台钟都有自己的时间，全世界的时间如何统一？

每一台原子钟都会提供一个准确的时间，国际原子时是通过全球70多个实验室的400多台氢、铯商品原子钟平均后，再由更准确的铯、铷喷泉钟校准而获得的。国际原子时在1958年1月1日0时与天文时对齐，它与天文时中的世界时以 “闰秒” 的形式相结合，产生 “协调世界时（UTC）”，并供全世界使用。世界上的每个时间实验室都通过地球同步卫星双向时间比对，或全球卫星导航系统 (GNSS) 时间比对的方式与国际标准时间对齐，当所有守时实验室的时间都与国际标准时间同步后，全世界的时间自然也就一致了。

北京时间究竟是哪的时间？

我国幅员辽阔，横跨5个时区，为了方便人们的日常生活和时间管理，需要定义一个全国（包括香港、澳门、台湾）人民通用的标准时间！清朝光绪28年（1902年），中国海关制定海岸时，将东经120度的时刻作为标准时间；民国28年（1939年）3月9日，中华民国内政部召集标准时间会议，确认将东经120度的时间作为 “中原标准时间”；在中华人民共和国成立（1949年）之后，将 “中原标准时间” 改称为 “北京时间”！

也就是说，“北京时间”是东经120度的时间，而北京位于东经116.4度，因此，北京当地时间与北京时间相差约14分半钟；而杭州地处东经120.2度，因此，杭州本地的时间与北京时间最接近。我国的首都是北京，从某种意义上来说，北京就是中国的象征，因此将我国的标准时间称之为 “北京时间”。北京时间是由位于陕西省西安市临潼区的中国科学院国家授时中心负责产生、保持和发播的（图4-5）。

图4 中国科学院国家授时中心

图5 我国时间基准保持系统

将北京时间即国家标准时间发播给大家，也是中国科学院国家授时中心的一大职能——授时。现如今的授时手段是多样化的，比如长短波授时系统、低频时码授时、互联网授时、卫星单向授时、卫星双向时间传递、光纤传递等，授时方法不同，授时精度也有所不同，用户可以根据自己的需求选择不同的授时（图6）。

图6 各种授时方法的比较

各类时间用户通过长短波、低频时码和卫星导航等定时接收机获得时间信号后，将其广泛地应用于各行各业。例如，交通部门需要精确的时间来进行调度，通信基站间需要精确的时间来维持通信电路时序，卫星的发射需要精确的时间来确保卫星正常入轨，供电站需要准确的时间来监测其故障点，金融机构之间需要准确的时间来完成安全交易。

我们和好朋友约会时，大多以分来确定时间就可以了，而现在各行各业对时间精度提出了更高要求，需要达到秒、毫秒、微秒、纳秒，甚至是皮秒量级[6]。

至此，相信大家对时间，原子钟和北京时间已经有了总体上的了解，对它们重要性以及相互之间的关系也不再陌生了。最后，欢迎各位小伙伴参观位于西安市临潼区的中国科学院国家授时中心（“首批中国十大科技旅游基地”之一），走进时间科学馆（我国唯一的时间主题科学馆，纵览古今中外授时仪器和授时技术发展），感受“大科学装置”和“北京时间”的脉搏。

参考文献

[1] 刘辉，应用于锶光钟的激光技术及光谱探测研究 [D]，中国科学院研究生院(国家授时中心), 2016.

[2] 张首刚，新型原子钟发展现状，时间频率学报，2009，32(2)： 81-9．

[3] 郭阳，锶原子光晶格钟自旋极化谱线的探测 [M] ，中国科学院研究生院(国家授时中心), 2018.

[4] 翟造成，杨佩红，新型原子钟及其在我国的发展，激光与光电子学进展，p21-31，2009.03

[5] 武文俊，“你知道为了确定时间，我们花了多少“时间”吗？”，中国科学院国家授时中心微信公众号

[6] 刘琼瑶，“关于北京时间，这里绝对有你不知道的！”，中国科学院国家授时中心微信公众号

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