「嘀嗒」一下,一秒鐘就過去了。在這一秒裡,地球繞太陽轉了30公裡;飛船飛出去將近8公裡;世界上大約有4個寶寶出生;蜂鳥振翅55次……時間和每個人的生活密切相關。最近,話題#北京時間是在西安產生的#成為網絡熱門話題,截至記者發稿時,該話題的微博閱讀量已達到9602萬。1月5日,三秦都市報全媒體記者走進位於臨潼區的中國科學院國家授時中心,聽科學家講述「北京時間」背後的故事。
「北京時間」不是北京的時間
「全世界採用區時制,按照地理經度把全球劃分為24個時區,每個時區以其中央經線所在的地方時作為該時區的標準時間。」中國科學院國家授時中心主任張首剛介紹,我國幅員遼闊,橫跨5個時區,為了統一管理以及方便人們的日常生活,需要定義一個全國通用的標準時間。1949年,新中國成立籌備過程中,第一屆中國人民政治協商會議確定,新中國的標準時間是首都北京所在的東八區區時,即東經120度經線所在的地方時。「因此,『北京時間』就有了明確定義。世界上大多數國家都以首都所在時區的區時作為整個國家的標準時間。」
「事實上,北京當地時間,與『北京時間』有一定的差異。」張首剛解釋,在北京,太陽在人們頭頂正上方的時間不是中午12時,而是12:15左右。這是因為北京的地理經度為東經116°21′,並不是東經120度,經度每差一度,時間就差4分鐘。同理「北京時間」的產生地西安,地方時比「北京時間」晚了大約44分鐘。全國省會城市的地方時與「北京時間」最為接近的是杭州。
「北京時間」為什麼產自西安
既然杭州的地方時與「北京時間」最接近,為什麼授時中心的產生地不在杭州而是西安?張首剛透露:「上世紀60年代中期,需要在我國建設一個能夠有效覆蓋全國國土的授時發播臺,西安正好位於國家內陸中心。」
1966年,根據大規模經濟建設和戰備任務要求,經國家科委批准,中國科學院在陝西蒲城籌建陝西天文臺,主要任務是研製建設一個完整的短波授時臺並為全國提供授時服務。上世紀70年代初,根據國防和空間科學對高精度時間頻率的需求,經國家批准建設長波授時臺。上世紀70年代末,BPM短波臺建成並投入使用,同時,陝西天文臺地方原子時建立運行,小功率長波試驗臺建成試播,滿足了當時國家重大任務急需。
1980年,陝西天文臺本部遷至臨潼。2001年3月,陝西天文臺更名為中國科學院國家授時中心。是目前全國唯一專門全面從事時間頻率研究和應用的科研機構。
我們是怎麼知道時間的?
在國家授時中心辦公樓的地下一層,有「北京時間」產生的核心設備——原子鐘和世界時測量系統。張首剛給記者舉了個例子,我們看到太陽東升西落是因為地球在自轉。將其看作一面大鐘,天空的恆星就是鐘面上的刻度,天文學家使用的望遠鏡或者其它觀星儀器好比鐘面上的指針。當望遠鏡對準某顆恆星時,我們就知道了它指示的準確時刻,這種方法測定的時間叫作「世界時」。一秒是一天的1/86400。(24小時乘以60分乘以60秒)。
隨著量子力學的發展,實驗發現,一些分子和原子內部的量子躍遷能夠產生周期非常穩定的信號,非常適合時間測量,於是人們就開始研製原子鐘。「北京時間」就是由一套幾十臺守時原子鐘實時比對測量共同產生的。
原子鐘提供原子時,十分穩定,但是它沒有確切的時刻含義。而世界時則對應著太陽在天空中的特定位置,反映著地球在空間旋轉時地軸的方位變化,與人們日常生活密切相關。1958年1月1日0時,人們把「原子時」和「世界時」對準,同時開始運行。
隨著時間的推移,潮汐作用的影響,地球自轉變慢,兩者差異越來越大。為了解決這一問題,人們引入另外一種非常重要的時間尺度,叫「協調世界時」,利用原子時的均勻性,採用原子時的「秒長」,而在「時刻」上儘量靠近世界時。1972年,協調世界時正式成為了國際標準時間。
張首剛說,國際標準時間不是一個實際的物理信號,是事後發布的一個紙面數據。我們需要的是真正能實時應用的實際物理信號。所以北京時間應該是國際標準時間在中國的一個具體實現,是中國版的協調世界時。
「北京時間」如何發播給大家
在國家授時中心時間科學館門口的牆上,左右各懸掛了16面鐘錶。它們能夠接收長波信號進行自主校對,因此,任何時候這些表與北京時間相比,誤差不超過0.1毫秒。
怎麼能夠把時間信號發送給不同地方用戶呢?這就涉及到授時。在古代,通過晨鐘暮鼓進行報時,就是授時的一種方式。現代授時手段則是利用包括電話、網絡、光纖、無線電短波、無線電長波、無線電低頻時碼、衛星等有線和無線的傳播技術發播標準時間,滿足不同應用需求。
上世紀80年代初,在陝西蒲城建成的長波授時系統,授時精度達到微秒,即百萬分之一秒量級,比短波授時精度提高了1000倍。從此,我國授時工作進入世界先進行列。本世紀初,在河南商丘建設了另一種信號體制的長波授時臺,叫低頻時碼授時臺,授時信號有效覆蓋範圍大約1000公裡。
另外,國家授時中心還建立了基於通信衛星的授時系統,我國北鬥全球衛星導航系統也於2020年7月份正式開通服務,這些都是我國授時發播的重要技術手段,授時精度在10納秒量級。
如今,時間頻率研究水平和服務能力成為一個國家核心競爭力的重要體現。對此,張首剛自豪地說:「我國標準時間的中、長期穩定度在全球穩居世界前三位,與國際標準時間偏差優於±5納秒,性能世界一流,對國際標準時間產生發揮著重要影響。」
時間未來還能多精準?
電波表可以戴上手腕,炒股做期貨通過網絡校時,移動終端隨時通過APP就能獲取標準時間,機場、高鐵、地鐵的時刻表顯示系統……昔日遙不可及的原子時間,正在走進尋常百姓家。
以我們熟悉的衛星導航為例。衛星導航系統其實是一個基於測量時間差的測距定位系統,用戶的位置和速度信息是通過測量時間獲得的,時間信息的生成與保持,時間頻率信號的測量是衛星導航系統最重要的技術基礎之一。1微秒的時間測量誤差,就會導致導航出現300米的測距誤差。
未來,中國將建成世界上獨一無二、立體交叉授時系統——這套系統主要由北鬥衛星導航系統、空間站時間頻率實驗系統、地基長波授時系統和地基光纖授時系統四部分組成。它們星地結合,相互融合、相互增強、相互冗餘,是統一溯源的有機整體。對我們普通民眾來說,數字通信將會更快,無人駕駛將會更安全。
文/記者 石喻涵 實習生 王子揚