升國旗一秒不差，憑的啥？_風聞

撰文 | 張曉斐（中國科學院國家授時中心研究員，中國科學院大學天文與空間科學學院崗位教授）

在心理認知和羣體行為層次上，時間大概是一個最沒有標準的東西了（比如“馬上到”“等一下”這些日常用語所體現出來的不靠譜），而在計量層次上，時間的標準在各種物理量當中可算是最精確的了。這個有趣的現象反映的大概是時間的約定性差異。隨着技術的高速發展，現代社會在逐步告別“從前慢”，這種約定差異在不知不覺縮小。人類對於準時性的要求越來越高，現代時間計量也已從宏觀的“觀天授時”走向依賴於微觀層面的原子過程。時間認知與人類發展的伴生問題過於複雜，我們暫且擱下 “時間都去哪了”的問題，先看看時間標準從何而來。我們常常説的北京時間又是哪兒的時間？

昨日上映的國慶獻禮片《我和我的祖國》講述了七個故事，其中《迴歸》還原了1997年7月1日香港迴歸的盛況。對於時任外交部禮賓司副司長、交接儀式總指揮安文彬來説，他最重要的任務便是保證五星紅旗在7月1日0時0分0秒準時升起，一秒不差，讓香港的主權準時迴歸祖國。

《我和我的祖國》劇照

當時，對於7月1日0時0分0秒這個時刻，是該英國降旗還是中國升旗，中英雙方進行了16次外交談判。這一秒代表的是中國對香港迴歸的底線，必須一秒都不能差，而真正做到“一秒不差”就要依靠精準的計時和授時。要保障精準計時和授時，則不得不説中國時間計量發展中最重要的一環——原子鐘的發展，其對“一秒”的精度也有着同樣的執着。

時間究竟是什麼？——時間的定義計量

説起時間，每個人都會説我知道。可是，時間究竟是什麼，卻總是很難説清楚。其實，自從地球上出現人類的那天起，時間的測量一直是人類日常生活必不可少的一項工作。時間作為基本物理量之一，是目前測量精度最高也是人類生活應用最廣泛的物理量。時間的單位是秒，最早的時間是以地球自轉作為標準，稱為世界時。它對秒的定義是指一個平太陽日的1/86400為1秒。

後來的研究發現，地球自轉速率並不均勻，之後經過長期觀測後，人們採用準確度更高的曆書時對時間單位“秒”進行定義。這種基於天體測量對時間進行定義的天文時間對人類歷史的發展作出了巨大的貢獻。然而天體的運動速率並不是完全均勻的，其週期也並非完全穩定，因此對測量的精度有很大的限制，而且觀測時間長，不能很好地滿足現代科學技術高速發展的需要。

如何精確量出一秒？——原子時的出現

隨着量子物理學（激光冷卻原子技術）和激光光譜學的迅速發展，人們開始認識到原子或分子振盪的週期非常穩定，其精度遠遠高於基於天體運動作為標準的世界時和曆書時，用其來定義秒可以使秒的精度得到極大地提高。利用原子振盪頻率確定的時間標準，我們一般稱之為原子時****[1****]。1967年，第十三屆國際計量大會通過決議，把原來基於天體宏觀週期運動的時間單位“秒” 長定義，改為基於原子內部的微觀運動，將 “秒” 長定義為銫（133Cs）原子基態的兩個超精細結構子能級間躍遷電磁輻射週期的 9192631770 倍所持續的時間。

而 “秒” 長定義的復現和時間頻率的精確測量則需要依靠量子頻標來實現。量子頻標又稱“原子頻標”，簡單地講，原子頻標是應用原子或離子內部能級間的躍遷頻率作為參考，鎖定晶體振器（簡稱“晶振”）或激光器頻率，從而輸出標準頻率信號的信號發生器。在計量學中，我們稱其為頻率標準器具，它是當代第一個基於量子力學原理做成的計量器具。由於物體運動週期與頻率成反比，所以原子頻標通常又叫原子鐘。實際上，原子鐘應該是能夠產生時間信號（如秒脈衝）並有計數裝置的原子頻標。近三十多年來，隨着新物理理論和新技術成果的應用，人們研製出了不同類型的新型原子鐘，它們已經或即將應用於衞星導航定位系統**[2****]**。

原子鐘也有多種，如何尋找最精準的原子鐘？

銫（Cs）原子具有的一些屬性使其成為基於原子共振躍遷的頻率標準，在20世紀50年代早期，世界上許多實驗室已經開始了對基於銫原子的時間頻率標準的研製。銫原子的原子質量相對較重，因此，它們的移動速度相對較慢，在室温下約為每秒130米，這就使得銫原子與微波場的作用時間較長。

此外，銫也有相對較高的超精細躍遷頻率（9.2 GHz），例如銣和氫原子的超精細躍遷頻率分別為6.8 GHz和1.4 GHz。1955年，英國國家物理實驗室(NPL) 研製出了第一台銫原子鐘，獲得1×10-9的不準確度**[3****]。由銫提供的高精度和準確度時間頻率標準導致了對時間單位 “秒” 的新定義的產生。經過60餘年的發展，目前的銫原子鐘的準確度已經達到了10-16，其精度接近1億年不差一秒[3****]**。

隨着半導體激光技術、電磁囚禁技術、激光冷卻和陷俘原子技術等新技術的發展，以及新物理原理的應用，新型原子鐘技術的發展十分迅速。一方面人們應用這些新技術探索性能更高的新標準，另一方面努力尋求小型化的新途徑。這些新物理原理和新技術的成功應用，催生了以超冷原子為工作物質的原子噴泉、離子儲存、中性原子囚禁等類型的冷原子鐘和光鍾，使原子鐘的穩定度和準確度提高了1～2個數量級，甚至達到10-18。20世紀90年代後，尤其是最近幾年，這些新技術被引進到我國，並且在國內迅速發展，新型原子鐘的研究已經蓬勃發展**[4****]**。

1 如噴泉般上拋和下落——冷原子噴泉鍾

時間頻率基準鍾裝置是運行在一定的實驗室環境，具有自我評估能力的最高時間頻率標準裝置，是時間頻率計量單位傳遞的源。近十幾年來，作為各國的時間頻率基準，傳統的磁選態和光抽運大型銫束原子鐘逐漸被銫原子噴泉鍾取代。

原子噴泉的基本想法如圖 1 所示，我們搭建一個豎立的真空裝置，真空中充有工作介質（銣或銫）的飽和蒸氣，利用激光方法俘獲原子，並將其冷卻到非常低的温度，將原子上拋。原子在上拋和下落的過程中只受到重力的作用，它兩次穿過微波腔，與時間上的分離振盪場作用，產生鍾躍遷，然後探測不同能級的原子。最後獲得與 Ramsey 鍾躍遷相應的熒光信號。應用該熒光信號即可完成對實用頻標的頻率鎖定。我國先後從事冷原子噴泉鍾研究的有北京大學、中國計量科學研究院、中國科學院上海光機所和中國科學院國家授時中心。

圖1 原子噴泉概念示意圖

2 準確度更高的冷原子光鍾

原子鐘的準確度和穩定度均以其所應用的量子躍遷譜線頻率的相對值來表示。與微波信號相比，光信號的頻率高，並且有一些原子或離子的光學頻率躍遷譜線很窄，其相應的Q值（譜線質量因子）高達1018。利用這些譜線實現的頻標，即光頻標，具有極高的頻率穩定度，其準確度和穩定度將優於10-18。

近些年來，原子冷卻技術，尤其是光晶格原子囚禁技術的飛速發展，使基於冷原子樣品而實現的光頻標擁有高準確度的潛力，並且具有高信噪比和低量子投射噪聲。世界發達國家紛紛開展了基於冷原子的光頻標研製。冷原子光鍾研究進展非常迅速，一些實驗室相繼報道的數據表明，其研究的冷原子光鐘的穩定度和準確度性能已超越了銫原子噴泉鍾**[2****]**。

目前，鍶光鐘的穩定度和準確度達到10-19量級，比噴泉鍾高4-5個量級。

用於光鐘的原子多為鹼土金屬原子，它們的外層軌道有2個電子，作為 “鍾” 躍遷參考的是它們的單重態 1S0  到三重態 3P0，1，2之間的躍遷，其躍遷頻率在光頻波段。用作光鐘的粒子可以是離子，如汞離子(Hg+) 、鐿離子(Yb+) 、鍶離子 (Sr+) 和銦離子(In+) 等，也可以是中性原子，如鈣 (Ca) 、鍶 (Sr) 、鐿(Yb) 和鎂 (Mg) 原子等。其作用原理與微波諧振器類似，只不過在這裏 “本機振盪器” 不是晶振，而是穩頻激光器。其主要構件如圖 2 所示。

圖2 光頻標主要構件圖

激光冷卻的原子（離子)，用穩頻激光器的脈衝去探測，激勵被冷卻的原子產生 “鍾” 躍遷。用聲光調製器 (AOM) 來調節探測激光的頻率，使它接近原子的共振頻率，原子的躍遷信息由光電倍增管收集原子熒光來進行檢測。對探測激光頻率進行調製，原子躍遷產生的信號作參考通過 AOM 和伺服系統，將探測激光頻率鎖到原子的共振中心，構成光頻標。激光線寬由很好隔離的光腔壓縮，並被穩定到原子躍遷中心。光梳把激光的頻率精確地傳遞到其他光頻和微波範圍。

在我國，華東師範大學與中國科學院武漢物數所開展了鐿原子光鐘的研究，中國計量科學研究院和中科院國家授時中心正在開展鍶原子光鐘的研究（圖3）[4****]。

圖3 國家授時中心鍶原子光鍾實驗系統

每一台鍾都有自己的時間，全世界的時間如何統一？

每一台原子鐘都會提供一個準確的時間，國際原子時是通過全球70多個實驗室的400多台氫、銫商品原子鐘平均後，再由更準確的銫、銣噴泉鍾校準而獲得的。國際原子時在1958年1月1日0時與天文時對齊，它與天文時中的世界時以 “閏秒” 的形式相結合，產生 “協調世界時（UTC）”，並供全世界使用。世界上的每個時間實驗室都通過地球同步衞星雙向時間比對，或全球衞星導航系統(GNSS) 時間比對的方式與國際標準時間對齊，當所有守時實驗室的時間都與國際標準時間同步後，全世界的時間自然也就一致了。

北京時間究竟是哪的時間？

我國幅員遼闊，橫跨5個時區，為了方便人們的日常生活和時間管理，需要定義一個全國（包括香港、澳門、台灣）人民通用的標準時間！清朝光緒28年（1902年），中國海關制定海岸時，將東經120度的時刻作為標準時間；民國28年（1939年）3月9日，中華民國內政部召集標準時間會議，確認將東經120度的時間作為 “中原標準時間”；在中華人民共和國成立（1949年）之後，將 “中原標準時間” 改稱為 “北京時間”！

也就是説，“北京時間”是東經120度的時間，而北京位於東經116.4度，因此，北京當地時間與北京時間相差約14分半鐘；而杭州地處東經120.2度，因此，杭州本地的時間與北京時間最接近。我國的首都是北京，從某種意義上來説，北京就是中國的象徵，因此將我國的標準時間稱之為 “北京時間”。北京時間是由位於陝西省西安市臨潼區的中國科學院國家授時中心負責產生、保持和發播的（圖4-5）。

圖4 中國科學院國家授時中心

圖5 我國時間基準保持系統

將北京時間即國家標準時間發播給大家，也是中國科學院國家授時中心的一大職能——授時。現如今的授時手段是多樣化的，比如長短波授時系統、低頻時碼授時、互聯網授時、衞星單向授時、衞星雙向時間傳遞、光纖傳遞等，授時方法不同，授時精度也有所不同，用户可以根據自己的需求選擇不同的授時（圖6）。

圖6 各種授時方法的比較

各類時間用户通過長短波、低頻時碼和衞星導航等定時接收機獲得時間信號後，將其廣泛地應用於各行各業。例如，

交通部門需要精確的時間來進行調度通信基站間需要精確的時間來維持通信電路時序衞星的發射需要精確的時間來確保衞星正常入軌供電站需要準確的時間來監測其故障點金融機構之間需要準確的時間來完成安全交易

我們和好朋友約會時，大多以分來確定時間就可以了，而現在各行各業對時間精度提出了更高要求，需要達到秒、毫秒、微秒、納秒，甚至是皮秒量級[6]。

至此，相信大家對時間，原子鐘和北京時間已經有了總體上的瞭解，對它們重要性以及相互之間的關係也不再陌生了。最後，歡迎各位小夥伴參觀位於西安市臨潼區的中國科學院國家授時中心（“首批中國十大科技旅遊基地”之一），走進時間科學館（我國唯一的時間主題科學館，縱覽古今中外授時儀器和授時技術發展），感受“大科學裝置”和“北京時間”的脈搏。 

參考文獻

[1] 劉輝，應用於鍶光鐘的激光技術及光譜探測研究 [D]，中國科學院研究生院(國家授時中心), 2016.[2] 張首剛，新型原子鐘發展現狀，時間頻率學報，2009，32(2)：81-9．

[3] 郭陽，鍶原子光晶格鍾自旋極化譜線的探測 [M] ，中國科學院研究生院(國家授時中心), 2018.[4] 翟造成，楊佩紅，新型原子鐘及其在我國的發展，激光與光電子學進展，p21-31，2009.03

[5] 武文俊，“你知道為了確定時間，我們花了多少“時間”嗎？”，中國科學院國家授時中心微信公眾號

[6] 劉瓊瑤，“關於北京時間，這裏絕對有你不知道的！”，中國科學院國家授時中心微信公眾號

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