你知道为了确定时间，我们花了多少“时间”吗？
作者：武文俊（中国科学院国家授时中心）
“现在几点了？”，“你们约了几点见面呢？”，“2017年的英仙座流星雨大爆发是哪天呀？”，时间对我们来说太熟悉了，我们的生活中没有一天能够脱离时间，几乎每一件事都需要打上一个时标。
时间不仅有时刻，还有时间间隔。时刻的起点是人为规定的，而时间间隔则需要一种准确、能够测量并可以重复的周期运动来对其进行表征。咱们今天就一起说说时间科学中守时、授时和定时这三个不可分割的部分吧！
守 时
人类的传统生活主要是“日出而作，日落而息”，而日出日落又是由地球自转造成的。因此，地球自转这一天文现象自然就成了一种计时的方式。
假如将地球看成一个钟轴，我们瞄向太空的视线作为指针，而空中的恒星作为时间刻度，那么当我们的地球自转起来的时候，这三个要素就构成了自然界的一个超级钟表。
让我们想象一下天天发生在我们身边的一个自然现象：我们看到太阳在东方位置时是早晨(东方—>早晨)，太阳在我们头顶位置时是中午(上方—>中午)，而太阳在西方位置时便是下午了(西方—>下午)，事实上，太阳时在历史上确实也应用了很长时间。
超级自然钟——地球为“钟轴”，视线为“指针”，太阳为“刻度”
由于太阳光线太强不好观测，而许多其他恒星的位置(“刻度”)又被科学家们通过长期积累的观测资料确定了下来，所以后来科学家们就用天文望远镜观测恒星来确定时间了。
近现代社会，各类技术发展更是日新月异，科学家们正在利用空间无线电和激光技术来测定以地球自转为基础的一种天文时，也就是世界时。
然而，随着量子力学的发展，1955年英国皇家物理实验室(NPL)造出了第一台以原子能级间跃迁为基础的铯原子钟。从那时开始，科学家们便开始研究如何利用原子钟来进行守时，至今“原子时”已有62年的历史了。
原子钟刚出现的时候，它的性能并没有天文时那么准，可几年后，它的准确度就超过了天文时。到了1967年，第13届国际权度大会(CGPM)正式决定以原先天文时秒长为基础，利用铯原子133同位素的两个超细能级之间的9192631770次跃迁作为新的“秒长”定义。
英国NPL的Parry和Essen正在操作铯原子钟
在天文时和原子时共存的情况下，“时间以谁为准”便成了一个现实且必须要解决的问题。天文时是以地球自转为基础的，它很适合我们日常生活以及与地球自转相关许多学科的应用。但以原子跃迁为基础的原子时，它比天文时更加准确且易于提供实时物理信号，比如，只有有了十万年才差一秒的原子钟才有可能建设我们的北斗卫星导航系统，而事实上现在北斗的星载原子钟其实已经可以达到三百万年只差一秒的精度。
天文时与原子时两者各有优缺点。于是，从1972年开始，综合二者的特点，由国际电信联盟(ITU)正式定义了现在的国际标准时间“协调世界时(UTC)”，这国际标准时间是天文时与原子时“相互协调”的结果。
国际电信联盟《ITU-R TF460建议书》规定：“协调世界时”是在国际地球自转服务组织(IERS)协助下由国际权度局(BIPM)来维护的时间尺度，其具体过程为：BIPM负责国际原子时的计算，而IERS负责世界时的测定，当原子时与天文时将要相差0.9秒的时候，由IERS提前半年对外公布原子时将在当年的6月30日或12月31日向天文时靠近1秒，这也就是所谓的“闰秒”，操作上由BIPM及全球守时实验室来共同完成。
国际权度局（BIPM）
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”，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。
我国标准时间的产生与发播由位于陕西西安的中国科学院国家授时中心负责。从1980年，中科院国家授时中心便开始参与国际标准时间的计算，成为了出现在国际时间公报上最早期的一批时间保持单位。
我国时间基准保持系统
授 时
守时只是时间科学的一个方面，另一个重要的方面是授时。
现在时间主要通过无线电、互联网和电话线等不同方式对外发播，其中无线电授时主要包括短波授时、长波授时和低频时码授时。除此之外，卫星导航系统也具有高精度的授时功能。所有这些手段加起来便构成了完整强大的空地一体化授时体系。
我国的长、短波授时台位于陕西蒲城，低频时码授时台位于河南商丘，这些大科学工程装置都是中科院国家授时中心向外发播时间的重要技术手段。在《厉害了！中国科学院326工程！》一文中有我国长短波授时台的详细介绍。未来几年，为满足国家各行各业的应用需求，我国还将建设更多的各类时间服务台站。
北斗卫星导航系统是我国独立自主开发的全球卫星导航系统。目前，它已能为亚太地区提供高精度定位与授时的服务。北斗系统时间通过中科院国家授时中心保持的时间与国际标准时间同步后对外进行高精度的授时服务。
定 时
定时是时间科学中的最后一个环节，也叫做用时。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秒、毫秒、微秒、纳秒，甚至是皮秒量级的更高要求。
低频时码定时接收机
好了，就说到这里吧！时间是无处不在的，说完时间科学中这三个必不可少的环节，相信大家对时间已经有了全面的了解，对时间并不再陌生了。
（文章首发于科学大院，转载请联系cas@cnic.cn）
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