与“一秒钟”较真

编者按：日前，我们来到中国科学院国家授时中心（以下简称“国家授时中心”）量子频标研究室。这个研究室，由中国科学院大学（以下简称“国科大”）博士生导师、中国科学院西安分院院长、国家授时中心主任张首刚带领，已拥有近百名中青年科研人员。近20年来，他们在“一秒钟”这细微的时间单位上精雕细琢，从原子时秒定义的发展，到光钟的探索研发；从原子钟的太空之旅，到天地一体授时体系的构建；再到科研人员对时间感知与使命传承。他们与“一秒钟”较真，对科学精度执着追求，为国家科研默默奉献，彰显中国科研者于细微处见宏大，在时间里写担当的伟大情怀。

如果把宇宙演化的历史浓缩在一年中，现代文明只在这一年中，最后一个月的最后一天的最后一秒闪烁。

在这最后一秒，哥白尼发表日心说，人类登上月球、探测火星，也在不断追问这样一个问题：一秒有多长？

张首刚

精益求精

“最早的时候定义秒，就是用天文的时间，比如说太阳、地球的转动，1967年以后就用原子的跃迁频率来定义秒长。”国科大博士生导师、国家授时中心量子频标研究室研究员常宏说道。

常宏

1967年，第13届国际计量大会（CGPM）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9192631770个周期所持续的时间为一秒。

午后的光透过常宏办公室的窗户，静静地照亮了这不到10平方米面积的长方空间。在这并不大的空间里，还放了一张单人折叠床。

常宏的一周七天，没有所谓的“休息日”。他自认自己不是特别聪明的人，就需要投入足够的时间，才能做出一件还不错的工作。“累了就躺会儿”，在办公室躺着也算一种休息。

接着，他话锋一转：“但是20世纪60年代的时候，我们国家的原子钟技术并不成熟，在定义秒时，我们就没有话语权。”

通常而言，计时器的计时精度与其振动频率有关。振动频率为1赫兹左右的摆钟，计时精度每天会产生10秒到120秒的误差；20世纪初，第一座石英钟面世，振荡频率达几万赫兹，计时精度提升至每天误差0.2秒；而现行国际标准单位秒的定义所涉及的铯原子喷泉钟，振荡频率高达92亿赫兹，准确度可以达到3亿年仅误差1秒。

然而，科学家们并未满足于此。2022年11月，第27届国际计量大会在法国凡尔赛召开，大会表决通过了7项重要决议，其中之一便是“关于秒的未来重新定义”。

在现行秒定义下，由于原子跃迁频率在微波波段，因而将以此建立起的时间频率标准称为“微波钟”。而科学家们慢慢发现，与微波频率标准相比，光学频率标准的精度和稳定度更高。

“打个比方说，如果微波钟测量的精度是一米，那光钟测量的精度是头发丝的直径。”国科大硕士生导师、国家授时中心量子频标研究室研究员于得水说。

于得水

常宏回忆：“当时国际上有很多种方案。首先是有原子钟的国家，其中做得比较好的国家，大家开个会一起商量秒定义。现在也一样，测量时间频率的技术发展得非常快，在重新定义秒的时候，到底多长为一秒？谁说了算？”

他带领团队，为了让我国在关键时刻有定义“一秒钟”的话语权，已经花了17年时间。目前，常宏的团队研制了3种类型的光钟，分别为地面基准、可移动和空间光钟。

把原子钟送上太空

2022年10月31日15时37分，中国空间站梦天实验舱在长征五号B运载火箭的托举下顺利升空，被誉为中国航天的又一次壮美腾飞。

与之前几次不同的是，这次随梦天实验舱一同发射升空的，还有中国空间站高精度时频实验系统，搭载了3种不同类型的原子钟：主动氢钟、冷原子微波钟和冷原子锶光钟。这3种原子钟相互配合，取长补短，使整个系统在轨构建了高精度时间频率产生和运行系统，实现星地间高精度时差测量，并利用事后精密定轨，获取厘米级的轨道精度。

在梦天实验舱发射前夕，国家授时中心的科研人员大多都在北京和临潼两地进行最后攻关。国家授时中心科技处副处长高帅和回忆起那段日子：“最多的时候有七八十号人，都封闭在楼里，大家都睡行军床，轮番倒班。人可以停，设备不能停。”

高帅和

为什么要把原子钟送上太空？

“空间光钟无论是对于工程应用还是基础科研上，都可能产生重大突破。”常宏说。这台由中国科学家们研制的冷原子锶光钟，也成为了世界首台空间站光钟。

这个过程谈何容易。

首先面临的就是容积问题。“把3个光学平台上满满当当的仪器，压缩到半个书柜这么小的体积，这是第一个问题。”

常宏解释道，“第二个问题是要自动化，空间站上不能再人为地去调设备了。这就很困难，好比你要把一头大象放进冰箱里，大象还是活的。这个比喻可能不是很恰当，但就是这么个问题。”

在可靠性和精度两端折中，经过多轮迭代，常宏团队和国科大杭州高等研究院、中国科学院上海技术物理研究所、中国人民解放军国防科技大学对物理系统、光学系统、电控系统等进行小型化处理，同时简化系统。“在这个过程中，我们还是有不少技术成果，比方说在物理系统小型化上，我们的技术同时获得了我国、美国和欧盟的发明专利授权。”常宏介绍。

构建天地一体弹性国家授时体系，除了需要在天上的星基授时系统，也需要与其相互独立、互为补充、互为备份、互相支撑的高精度地基授时系统。

高精度时频传递

2016年12月，《国家重大科技基础设施建设“十三五”规划》正式发布。张首刚作为总工程师负责国家重大科技基础设施“高精度地基授时系统”的研制建设任务。

国科大博士生导师、国家授时中心量子频标研究室研究员刘涛是张首刚带领的高精度光纤时间频率传递研究与应用团队一员，他介绍：“高精度地基授时系统包括两大授时系统建设任务，一个是增强型长波授时，另一个就是光纤授时。对于我国而言，将应用新一代的高精度光纤授时技术，首次建立覆盖全国的光纤授时骨干网络。”

刘涛

这将建成国际上规模最大、功能最完善、性能最先进的地基授时系统。

授时，也称“时间服务（Time Service）”，指通过一定方式把某种尺度的时间信息传送出去，供应用者使用。

由于应用环境多样，精度要求也各不相同，授时方式发展至今也各式各样。

进入20世纪，授时技术随着无线电技术的迅速发展而迎来革命性变革。传播覆盖面更广、精度更高的无线电授时，包括短波授时、长波授时和低频时码授时等获得广泛应用。20世纪80年代开始，互联网授时逐步应用；90年代初，美国全球定位系统（GPS）开启了卫星授时的时代。近年来，我国北斗卫星导航定位系统也迎来了大发展。

刘涛的研究团队聚焦的是光纤授时方向。他说：“目前应用广泛的卫星授时存在一些技术瓶颈，而光纤授时技术有着独特的技术优势和广阔的应用前景。光纤授时的精度比卫星授时大约提高一个量级甚至两个量级，我们希望尽快把光纤授时系统建立起来，为我国各行各业的长远发展和安全保障提供技术支撑。”

目前，张首刚带领的高精度光纤时间频率传递研究与应用团队已在关键技术上取得突破。因为其成果支撑了国家重大科技基础设施“高精度地基授时系统”建设和载人航天工程的实施，高精度光纤时间频率传递研究与应用团队获2023年度中国科学院科技促进发展奖。

国科大博士生导师、国家授时中心量子频标研究室研究员董瑞芳也是高精度光纤时间频率传递研究与应用团队的核心成员。同样是基于光的手段传递时间频率，董瑞芳团队采用基于量子光源和量子探测的方式，实现高精度的时间传递。

“采用量子光源，一方面由于没有时间信号，所以不存在调制、解调的过程，产生的噪声与经典技术相比更小，另一方面由于量子测量的非定域优势，可以直接给出处于不同地方的光子之间的时差信息，而不用回传。”董瑞芳解释说，“此外，量子时间同步具有天然的安全性。”

感知时间

2010年年底，董瑞芳来到国家授时中心，相比于热闹、繁华、快节奏的大城市，她更喜欢安静而有历史厚重感的西安。在她眼中，做科研追求的不是“快、准、狠”，科研是磨出来的，要有耐心。

“给学生改论文改个十几遍，都是常态。”董瑞芳说，“一开始不要去考虑这个东西是一年干成、两年干成，还是十年八年也不一定干成，只要你的目标没错，你就使劲干就好了，‘撸起袖子加油干’。”

董瑞芳

一秒的长度，对每个人来说都是一样的。刘涛把时间当作“人生”——每个人都有一生，都有一秒。

怎么把一秒的事做好？大家的选择有所不同。

对刘涛而言，他有幸自己能够参与到国家新一代的授时体系建设工作中，能够为国家贡献个人绵薄之力。

回忆起来到国家授时中心的时光，常宏感慨：“人一辈子非常短暂，我干这行17年，感觉真的是一眨眼，但也确实干了一些事——从我们国家还没有一台真正的光钟，到现在已经把光钟放到了空间站上。”

他继续说：“但是实事求是地讲，我们确实还没做到世界一流，我相信我退休的时候应该能做到世界一流了吧。”

那时，他的学生大概就像他现在这么大。

他不由得想起了陕西天文台漆贯荣老台长的那一代人。“在他们把接力棒传给下一代的时候，可能想着‘哎，记住啊，我可是从零开始，直到交给你们了一个还算拿得出手的东西，那到了你们手上，你们要把它做得更好啊’。”

一代代就是这么过来的。我们的祖国也是这么一步步从站起来、富起来到强起来的。

在常宏看来，中国科学院是科研的“国家队”。国家队是什么氛围？

一心一意就干一件事。“如果是在国家授时中心的话，这‘一件事’是什么？就是做世界一流的原子钟，做世界一流的研究。客观上讲，未必现在就做得到世界一流，但是你进了国家队，目标就永远是这样。”

这大概也是他背后，跟“一秒钟”较真一辈子的中国科学家们的心声。

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观微之光，可明远方

出品/国科大记者团

文字/陈文焕

图片/甘涵臣 曹雅莹

制图/国晓薇

美编/国晓薇

责编/郭海燕 吴迪

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