演讲题目：时间究竟是怎么来的？
演讲者：中国科学院国家授时中心主任、首席科学家 张首刚
1.什么是时间？
2.从古至今人们对时间测量的探索
从未停止
那么如果我问大家现在几点了，我估计你们很多人都会拿出手机或者是手表，那我们大家想没想过，在古代人们是怎么知道时间的？我们古时有很多的计时工具，圭表是最古老的天文观测仪器之一，它通过测量太阳投影的长短来测节气、定农时，后来圭表就逐渐演变，演变为我们较为熟悉的日晷。
日晷它是通过太阳投影的角度来指示时刻的。在我们古代南北朝时期，有一种计时工具叫作秤漏，它有一个大桶里边盛满水，还有一个小桶，通过一个细管把水，从大桶导入到小桶，随着时间的流失，小桶里的水不断地增加，我们称一称小桶的重量，就便知道了时间。
那么我们看到日月星辰，每天东升西落，这是为什么呢？这是因为地球在自转，相对稳定的自转使地球成了一面天然的大钟，如果我们把空中的恒星看做钟面上的刻度，那么天文学家用于观测的望远镜就是这个钟面上的指针，当这个望远镜指向某一颗恒星的时候，那么它就给出了准确的时刻，这是一种天文测量时间的方法，这种方法测量的时间叫什么呢？叫世界时。但是由于其他星体的影响，这个世界时的测量精度只能到达毫秒的量级，不能满足我们发展航天技术的要求。随着量子力学的发展，实验表明，在一些分子和原子内部的量子跃迁产生的相关运动的周期非常稳定，也非常适合于测量时间，于是人们就开始研制原子钟了。在1967年国际计量大会上确定，铯原子基态两个能之间跃迁，大约九十二亿个周期，所持续的时间为一秒，这样时间的单位就从天文时过渡到原子时。
有了更稳定的原子时，有人会问，那天文时就没有用了？不是这样的，我们熟知的大地测量，天文观测，航天器的跟踪定位，都要依赖着世界时的测量，而另外一些像引力波探测，相对论验证，这些精密物理的实验研究，则需要非常精密的原子时，这就在应用上出现了矛盾。1958年我们把原子时和天文时同时对准，让它们开始运行，随着时间的推移，两边出现了较大的差异。我现在可以告诉你们，地球自转在不断地变慢，大概有多大程度的变慢呢？平均来说，每三年慢两秒。为了解决这个问题，人们就提出了另外一个非常非常重要的时间尺度，叫协调世界时。那么国际标准时间——协调世界时是怎么产生的呢？全世界八十五个实验室，八十五个代表不同国家和地区的实验室，每天五百多台守时型原子钟，通过卫星进行比对，综合计算出一个非常非常稳定的自由原子时。打个比方，有一个同事甲，他每天九点上班，当然我们知道他迟到了一个小时，但是他非常规律，非常稳定，就像上面的自由原子时一样的稳定，那么领导发现了他每天迟到，然后究其因，发现他的表慢了一个小时，通过校准他的手表，而后呢每天八点上班，并且非常规律，相当于国际原子时了，既准又稳了。那么随着时间的推移，到了冬天，天亮得晚了，我们把早上上班时间推迟半个小时，就相当于我们用国际地球自转服务组织提供的世界时对我们的原子时进行调整一下，这样大家以后都八点半上班，既准又稳，还符合实际的工作需求。
3.我们是如何开始研制基准钟的？
那么有人会问了，有了国际标准时间——协调世界时，我们还需要产生北京时间吗？协调世界时是一个事后的计算数据，不是我们实际想用的物理信号，所以我们必须产生我们能够实时使用的标准时间——北京时间，换句话说，北京时间是国际协调时在中国的实现，是中国版的国际标准时间，北京时间使用了四十多台守时原子钟，一定数量的守时原子钟的使用是为了保证产生北京时间系统的安全可靠性，也是为了保证北京时间的连续和稳定性。但这个时间需要校准，需要性能更高的基准钟。
目前世界上最好的基准钟是冷原子铯喷泉钟，世界上第一台铯原子喷泉钟，诞生在法国，是我的导师研制的，我的博士工作的主要内容是改造法国基准钟，也就是第一台铯原子喷泉钟。博士毕业的时候，我回国了，但是当我的导师知道我要回国的时候，他问我：“首刚，你已经做了世界上最好的喷泉钟，为什么还要回中国继续做喷泉钟。”我知道老师是对我学术发展的关心，但是我也知道喷泉钟对一个国家时间系统的重要性。2005年我离开了北京的家人，只身到了临潼，那时候国家授时中心冷原子钟的研究是零的基础，从我一个人开始，从一个螺丝钉的开始，一切从零开始。经过十五年努力，我们成功地研制了两台具有自主知识产权的铯原子喷泉钟，根据铯原子喷泉钟的性能分析，如果这台铯原子喷泉钟能够运行六千万年，它的误差是多少？告诉大家，它积累的误差不到一秒。国际电信联盟要求各国的标准时间与国际标准时间的偏差不大于一百纳秒，我们北京时间2013年起就小于十纳秒，2017年起就进入五纳秒。目前进入五纳秒的国家只有五个，其中包括我们中国。
4.古今授时方式大有不同，
时间精度的提高有重要应用价值
那么守时是为了应用，北京时间在西安产生了，怎么能发送给用户？这就是我们要谈到的授时。授时自古就有，古代授时是指授农时、节令，《尚书·尧典》有这样的记载：“乃命羲和，钦若昊天，历象日月星辰，敬授人时。”这句话是什么意思，就是说帝尧委派官员观察和计算日月星辰的运行规律，然后制定立法指导农业生产和人们的生活。钟鼓楼大家可能听说过，它往往是在市中心的最高建筑，我们通过晨钟暮鼓来进行报时，早晨的钟声和傍晚的鼓声，响彻了城市的每个角落。
那么今天和过去大不一样了，我们采用电话、网络、光纤、无线电短波、无线电长波、无线电低频时码以及卫星等各种技术手段传递时间信号。上个世纪六十年代，我们在陕西蒲城建设了专用短波授时台，短波是通过电离层的不断反射来传递时间的，对大地测量、电力调度以及天文观测有着重要的应用价值。但是它的精度比较低，只能达到毫秒量级，不满足要发展航天技术的要求。本世纪初，我们在河南商丘建了另外一种信号体制的长波授时台，叫低频时码授时台。我手上带的这块手表就是接收它的信号，任何时候和国家的标准时间不差零点一个毫秒。有了秒级的精度，我们就可以对高速铁路进行调度管理；有了毫秒级的精度，我们就可以对广播电视进行发播控制；有了微秒级的精度，我们就可以对电力网进行故障定位；有了纳秒级的精度，我们就可以实现卫星导航的米级定位。所以说时间的精度，只有我们做不到，没有用不到。可以说人们研究时间测量的过程就是人类发展进步的过程。
5.“授时服务能力体现着
一个国家的综合科技实力”
在这里我想告诉大家，未来五年我们中国将建成世界独一无二立体交叉的授时系统，我们将用空间站把北斗卫星和地面时间系统连接起来，这样我们就形成了一个交叉互补的立体系统。运用这个系统，我们会把地面授时精度提高四到五个量级，对科学研究和国家安全意义重大。对我们普通民众，我们的通信速度将会进一步提高，我们的无人驾驶将会更加安全。可以说授时服务能力体现着一个国家的综合科技实力，我们国家的利益拓展到什么地方，我们的授时服务就到什么地方，我们国家利益到火星，我们的授时服务就到火星，我们国家利益到深海，我们的授时服务就到深海。
谢谢大家。
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