科学周刊|时间是如何产生的？

　　【壹】时间是如何产生的？

　　选一个起点，按照固定间隔来累计

　　在西安市临潼区中国科学院国家授时中心，有一座时间科技馆。

　　一幅将整个宇宙138亿年演化过程压缩为“一年”的特殊日历显示：20万年前早期智人的出现是在这“一年”中最后一天的倒数第八分钟，3万年前北京山顶洞人的出现是在最后一分钟的第9秒；这“一年”的最后的一秒是哥白尼发表日心说、人类登上月球、开始探索火星。下一秒，人类将飞出太阳系、奔向宇宙……

　　这种大尺度的时间冲击让人内心感到巨大的震撼。

　　然而，再漫长的时间都是由最基础的时间单位构成的。

　　院内一块展板上这样介绍时间：“很久很久以前，还没有时间的概念，有的只是自然界物质的运动和变化。人类诞生以后，就出现了判断事件发生先后顺序的问题，于是时间的概念产生了。”

　　中国科学院国家授时中心副主任、时间频率专家李孝辉副主任介绍，为了比较事件发生的先后，人们需要定一个坐标。“这个坐标就是时间的作用：打标记、比较先后。而且这个标记大家要承认，要能观测。这是定义时间的根本原则。”

　　怎么定义时间呢？就是选一个起点，按照固定的间隔来累计。

　　固定的间隔累计，不同时间的人们对它要求不同：古代水钟一滴一滴落下去，这就是时间。后来发展为机械钟游丝摆轮的转动，现在是量子跃迁的辐射频率。产生时间的固定间隔，一步一步越来越精确。

　　有了固定的间隔累计，时间起点又该如何选择呢？古人通过使用浑天仪观测恒星来得到具体时刻，然后在此基础上进行时间累加。现代人使用中星仪观测恒星得到具体时刻，然后进行时间累加。浑天仪好似没有镜片的望远镜，而中星仪属于天文望远镜，两者相比今人观测的精度要比古人高得多。

　　【贰】为了准确掌握时间

　　还需要有三种时间尺度与闰秒

　　中科院国家授时中心博士生纪其威介绍，为了准确掌握时间，还需要有世界时、原子时、协调世界时这三种时间尺度和闰秒。

　　世界时(UT)是基于地球自转运动,以太阳作为参照点来确定的时间尺度。但其计时精度只能达到毫秒级,日稳定度为10-8量级,相当于大约3年误差1秒。

　　原子时(AT)是利用原子振荡频率确定的时间尺度。1967年,第13届国际计量大会通过的原子时秒定义为：位于海平面上的铯133 原子基态的两个超精细能级间在零磁场中跃迁振荡9 192 631 770个周期所持续的时间为1秒。

　　为了兼顾对世界时时刻和原子时秒长的需要，1972年，国际上规定以协调世界时作为国际标准时间。

　　协调世界时(UTC)是采用原子时的秒长，通过闰秒，在时刻上尽量逼近世界时的时间尺度。当协调世界时与世界时的时刻差预测值超过0.9 秒时,给予协调世界时一个整秒的调整，这就是闰秒。

　　闰秒由国际地球自转服务组织(IERS)提前半年向全球公布,一般在协调世界时12月31日或者6月30日的最后1秒实施。由于北京时间比国际标准时间早8小时,因此中国时钟通常在1月1日或7月1日早上8时实施闰秒。

　　闰秒有正负闰秒之分——

　　正闰秒：07:59:59、07:59:60、08:00:00

　　负闰秒：07:59:57、07:59:58、08:00:00

　　“这个制度从1972年1月1日零点两个时间对齐，到现在已经加了37秒。而且这个变化不是很均匀的，因为地球的自转不均匀，有时候两三年就要加一秒，有时候好几年都不会改变。从2017年到现在，一秒都没有变过。”

　　【叁】古有司天监，今有国家授时中心

　　最重要的工作是“守时”和“授时”

　　李孝辉副主任介绍，1964年，我国第一颗原子弹爆炸成功后，导弹和人造卫星加快研制，这两项工作都高度依赖精准的时间系统。在“651”计划初步方案中，国防科委明确提出“在西安地区建立短波授时台，以满足第一颗人造卫星的需要”的建议。1966年，原国家科委批准由中国科学院抓总，在陕西关中选址建设西北授时台（326工程），后改称陕西天文台。2001年，中央机构编制委员会批准中国科学院陕西天文台更名为中国科学院国家授时中心。

　　“在中国古代，时间工作是由皇家天文机构掌管的。和天文与时间有关的机构称清台、灵台、太史监、司天监等。我们单位叫国家授时中心，所以若在古代，这晨钟暮鼓便是我们的业务。”

　　“国家授时中心的主要职责可概括为四个字，就是‘守时’和‘授时’。”

　　所谓守时，是指标准时间频率信号的产生和保持工作。现代守时系统，主要是通过一组原子钟(包括氢原子钟、铯原子钟、铷原子钟等)的时间频率数据计算来保持本地原子时,并通过与国内、国际守时实验室比对与数据综合处理，获得高稳定性的原子时间频率标准，进而通过原子时与世界时协调，产生本地系统保持的协调世界时。

　　所谓授时，就是确定、保持某种时间尺度,通过一定方式把这种尺度的时间信息传送出去,供应用者使用。这一整套工作被称为授时,也称时间服务。

　　现代授时手段主要是无线电授时、卫星授时、互联网授时。当前，卫星授时精度在10纳秒量级。互联网授时精度为100毫秒至1秒。

　　【肆】把时间搞那么精确有啥用？

　　现代社会须臾离不开精密时间

　　纪其威介绍，时间是迄今测量精度最高的物理量,目前已知时间的范围从Z°粒子的寿命10-25秒到宇宙的年龄1018秒，跨度达44个量级。

　　人类最早认识的时间概念是“日、月、年”。随着人类社会生产活动的发展,需要对“日”以下的细分时间，于是就产生了“时”“刻”“分”“秒”。

　　现代社会的高速发展对“秒”以下的时间细分提出了越来越高的需求,产生了“毫秒”“微秒”“纳秒”“皮秒”等，这便是精密时间。

　　它们之间的换算关系是：1秒（s）=1000毫秒（ms），1毫秒=1000微秒（μs），1微秒=1000纳秒（ns），1纳秒=1000皮秒（ps），1皮秒=1000飞秒（fs），1飞秒=1000阿秒（as）。

　　如果直接用秒来描述阿秒，那便是1秒=100亿亿阿秒。

　　而阿秒也不是最小的时间单位，阿秒之下还有仄秒、幺秒：

　　1阿秒=1000仄秒，1仄秒=1000幺秒……

　　面对精密时间，经常有人会问：把时间搞得如此精准有什么用？

　　其实，时间是人们生产生活的一个基本参量，时间的应用无处不在，从普通人的吃饭穿衣、体育比赛到高精尖的卫星导航、深空探测等等，各个行业各个部门都需要精确的时间。

　　比如——

　　钟摆摆动一次大约便是1秒，而在GPS卫星导航系统中1秒的误差便会导致30万公里的定位误差；

　　苍蝇扇动一次翅膀约3毫秒，在毫秒尺度内人类可以用高速摄影捕捉子弹击碎目标、水滴溅起的瞬间；

　　1微秒光可在真空中传播约300米，利用微秒尺度可以进行雷达测距、超声波成像；

　　1纳秒光在真空中仅能传播30厘米，在这个时间尺度可以观测分子的振动和旋转，计算机内存访问、处理器指令执行、激光测距都在这个时间尺度；

　　1皮秒光在真空中只能传播约0.3毫米，在这个时间尺度可观测原子在分子中的振动、分子内能量的转移等，使用皮秒激光脉冲可用来研究化学反应的中间步骤、分子振动和能量流动；

　　1飞秒光在真空中仅能传播约0.3微米，这是化学反应的终极时间尺度，飞秒化学使人类第一次可以像用高速摄像机拍慢动作一样，直接观察化学反应过渡态的全过程，理论上通过精确控制的飞秒激光脉冲可“引导”化学反应朝着人们期望的方向进行；

　　1阿秒，光在真空中仅能传播约0.3纳米，约一个水分子大小，这是电子运动的时间尺度，可观测原子内层电子的运动，阿秒脉冲可“拍摄”电子运动的快照研究超快电子过程，未来甚至可能操控电子行为。

　　从具体行业和应用来说：

　　导航定位，1纳秒就对应着30厘米的测量误差；

　　航天器交会对接，轨道层面需保持秒级精度，控制层面要求毫秒级精度，物理接触层面甚至需要微秒级机电响应速度；

　　智能交通，时间不仅被用来控制交通运输的秩序，高精度时间还被用来“以时间换空间”缩小飞行高度层垂直间隔，使空域容量和利用率得到明显提高；

　　在竞技体育上，也经常利用精密计时装备来提高计时精度，以准确记录每个运动员的的成绩。

　　所以，时间这个测量精度最高、应用最广的物理量，被广泛应用于科学研究、经济建设、国家安全和社会生活的各个领域，其研究水平和应用能力是国家核心竞争力的体现，因此时间也是国家战略资源。

　　华商报大风新闻记者 马虎振 文/图

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