时间的故事——时间科学馆的缘起与建设

陈琳 窦忠 刘永鑫

摘 要 时间科学馆由中国科学院国家授时中心设计建设，是我国首个以时间科学为主题的专业科技博物馆，致力于向全社会普及时间科学知识，展示古今中外测时、计时、授时、用时技术的演进过程，介绍新中国时间科学工作的发展历程及前沿成果，在增强文化自信、提升公民科学素质方面发挥着重要作用。

关键词 时间科学 博物馆 科学普及

1 源起

在古代，人们很早就意识到时间的重要性，从“立竿见影，视影知时”的圭表，到“烧烛知夜，刻烛验更”的香钟、“孔壶为漏，浮箭为刻”的漏刻，再到“弦轮密运，机巧精妙”的水运仪象台，并以“打更报時，晨钟暮鼓”的方式告知众人。此外，还通过“立表验气”“揆日测向”“窥测七政”“制定历法”等，指导农业生产，规范社会治理，方便百姓生活。中国近代实业家张謇曾说过：“觇古今之变迁，验文明之进退，秉微知巨，亦可见矣。”若能对中国古代时间科学工作进行系统梳理，重现历代人民的测时、计时、授时、用时技术，必将是一件非常有意义的工作，有助于以小见大了解中国科学技术的发展，提振国人的文化自觉和文化自信。

在现代，时间是表征物质运动的基本物理量之一。它既是一个天文学概念，也是一个物理学概念。我国现代时间科学工作可追溯至建国之初的上海徐家汇观象台，而全国性的授时服务则始于1966年成立的陕西天文台。其间，我们积累了大量具有代表性、典型性的实物和史料，见证了新中国授时工作从无到有、从落后到超越的历程，以及几代授时人披荆斩棘、风雨兼程的努力。由于年代久远，不少仪器和档案存在流失、破损等情况，亟需收集保护以备后人研究借鉴。若能对这些珍贵文物进行现场展示，不仅可以开展数学、物理和天文等学科的科学教育，而且可以开展爱国主义教育，学习老一辈科学家淡泊名利、甘于清贫、无私奉献、科技报国的精神。

2 建设

为积极响应并贯彻落实习近平总书记关于“科技创新、科学普及是实现创新发展的两翼，要把科学普及放在与科技创新同等重要的位置”的重要论述，充分发挥科研机构在科学普及方面的示范引领作用，由中国科学院国家授时中心设计建设的时间科学馆于2016年10月在陕西西安落成开放。

如何让时间科学惠及更多人群？建立一个以时间科学为主题的博物馆无疑是个有效的做法。2001年，经国家批准，中国科学院下属陕西天文台更名为国家授时中心。于是，刘次沅、窦忠等几位主创人员就萌生了建立“时间科学馆”的想法，开始整理文献资料，尝试撰写展陈方案。在2015年中国科学院天文科普联盟正定会议上，“时间科学馆”项目获得了部分资金支持。同年，为迎接国家授时中心成立五十周年，我们决定正式启动“时间科学馆”项目，着手挑选馆址及征集藏品、制作展项的工作。在展陈方案初步确定后，先后召开了4次专题研讨会，邀请国内外同行献计献策。遵循“科学严谨、突出特色、展现历史、展望未来”的基本原则，确定了“独一无二、耳目一新”的预期目标。

值得注意的是，时间科学馆的占地面积约1 000 m2，总投资达500万元，单方造价仅为5 000元。这在博物馆建造工程中实属罕见，如此低廉的成本当然与主创团队的精打细算密不可分，但也得益于自提议到竣工十余年的集体构思和酝酿。针对场馆的建筑设计，我们动了很多脑筋。利用现有场地空间，将实验工厂加以改造，搭建二层钢结构馆舍，并局部加高、地下深挖，以保证特殊展项的展示效果。此外，还合理规划了放映室和临展厅，以丰富展示内容。

3 展示

陈列展览的内容与形式无疑是博物馆设计成败的关键。于是经过再三讨论，我们立足展项组合，反复推敲科学逻辑与艺术设计。根据时间科学的固有属性和特点，结合建筑结构与功能设置，时间科学馆分为如下五个区域：“感知时间”“计时技术的演进”“授时技术的发展”“精密时间的应用”“国家授时中心的发展历程”。

3.1 感知时间

步入时间科学馆，犹如走进知识的殿堂。在“感知时间”板块，运用系统陈列法，从天文属性与物理属性出发，由大及小，由远及近，阐释了时间的基本概念。

入口处设有一面“电波钟表墙”。钟表虽是人们司空见惯的生活用品，但墙上的钟表却与众不同。它们是自动校准的电波钟表，可以接收国家授时中心商丘低频时码发播台的信号。让观众领悟到随手可得的时间原来并不简单，这里不是钟表博物馆，而是处处带有科技烙印的时间科普场馆。

时间是一条长河，从远古流向未来。时间是空气和水，滋养着现代文明。时间是一种文字，书写着数字化的地球。如果说“电波钟表墙”展示的是律动的时间，那么“时间的年轮”展示的就是凝固的时间。如图1所示，树桩上一圈圈的同心圆、蟹状星云中弥散开来的气体和尘埃都象征着千百年尺度的时间印迹。该展项以照壁的形式，既起到了指引参观路线的作用，又分割了空间，避免一览无遗。

[图1 “时间的年轮”展项]<O：＼Macfile-f＼CY＼2019年＼科学教育与博物馆＼2019-2＼陈琳-图1.tif>

然后，映入眼帘的是“大时间尺度”。所谓大尺度时间，是指发生在过去很久、很遥远事件的时间，包括宇宙年代、地质年代和历史年代。我们用科学方法将不易感知的大时间尺度变为可感知的时间尺度，把宇宙的历史按比例放在一年中，发现人类文明的出现只是这一年中最后一个月的最后一天的最后十秒！接下来，把目光聚焦到我们的祖国——中国的历史年代。其中，最引人注目的莫过于夏商周断代工程，这是一个多学科交叉联合攻关的系统工程，依靠自然科学与人文社会科学相结合来研究夏、商、周三个历史时期的年代学问题。根据有关天文现象和历法记录进行计算推定，国家授时中心取得了两大标志性成果——武王伐纣的时间（公元前1046年）、懿王元年的时间（公元前899年），为研究中国古代文明的脉络给出了一个时间上的标尺。

一方面，人类不断拓展对大尺度时间的认识，另一方面，社会对时间细分的需求越来越迫切，这就产生了精密时间。对此，我们借助生动的图表形式，化繁为简，演绎了关于时间的内涵及外延。事实上，时间频率是目前所有物理量中实现测量精度最高的。时间包括时刻和时间间隔两个要素。如图2所示，“时间的44级台阶”罗列了时间单位（如世纪、年、月、日、时、分、秒、毫秒、微妙、纳秒、皮秒、飞秒等）与事件（如古树的年龄、人类的寿命、地球公转的周期、月球公转的周期、地球自转的周期、中子的寿命、市电的周期、超快速摄影的曝光时间、介子的寿命、超子的寿命、共振态的寿命、粒子的寿命等）的关联。

最后的点睛之笔是位于展厅中央、跨越楼层的傅科摆（见图3）。在周期性摆动的过程中，摆动平面沿着顺时针方向缓缓转动，这种摆动方向的变化是由于观察者所在的地球转动的结果，从而有力地证明了地球由西向东的自转。这一展项在动静之间，为整个博物馆增添了几分活泼，令人直观地感受到时间的节奏。

[图3 傅科摆]<O：＼Macfile-f＼CY＼2019年＼科学教育与博物馆＼2019-2＼陈琳-图3.tif>

3.2 计时技术的演进

在“计时技术的演进”板块，秉承“统一中求变化，变化中求统一”的理念，运用对比陈列法，赋予单个展项科学、历史和哲学的价值，比较分析了计时仪器在不同时期、不同类型、不同地区之间的区别与联系。

古人最早观察到的天文现象是太阳的东升西落，这种周期性的日夜交替带给人类关于时间的概念。然而由于太阳是一个光芒耀眼的天体，难以直接观测。我们凭借长期的实践发现，物体在阳光下会出现影子，这些影子的位置与太阳在天空中的位置一一对应。于是，太阳钟便应运而生。世界上最古老的天文计时仪器是圭表，后来演化为日晷，其利用太阳投影的长短和方向来划分季节、测定时刻。人类使用日晷的历史非常久远，早在五千年前的古巴比伦就开始了。日晷不但能显示一天之内的时刻，还能显示节气和月份。当然它的缺点也是显而易见的，那就是十分笨重，并且看不到阳光的时候便不能用，比如阴天和晚上。如图4所示，日晷由铜制的指针（晷针）和石制的圆盘（晷面）组成，按照晷面的摆放角度，一般可分为地平式、垂直式、赤道式三类。

如图5所示，水运仪象台是世界上最古老的天文钟，由北宋苏颂主持、韩公廉等设计。这一划时代的创造集历代天文仪器之大成，以水为动力运转，分为上、中、下三层：上层是浑仪，用于观测星空;中层是浑象，用于演示天象;下层是司辰，用于计量时间、报告时刻。值得注意的是，水运仪象台中首创的擒纵机构是后世机械钟表的关键部件，它是一种传递能量的开关装置。顾名思义，乃一擒，一纵;一收，一放;一开，一关。与水运仪象台紧邻的是同样采用擒纵机构的摆钟，由荷兰天科学家克里斯蒂安·惠更斯发明，但在时间上却晚了600多年。如果说靠水力驱动的水运仪象台是现代钟表的祖先，那么靠重力驱动的摆钟则开辟了精确计时的新纪元。当西方的计时技术突飞猛进之时，中国在宋代达到顶峰之后却停滞不前，令人扼腕叹息的同时，也引发了观众对于其背后原因的思考。

综上所述，计时仪器的本质在于设置固定的时间间隔，即周期。周期越短，计时的准确度就越高。脉冲星是一种高速旋转的致密中子星，会周期性发射脉冲信号，被誉为自然界中最稳定的时钟。通过对脉冲星的计时观测，可建立高精度的时空参考架。在展览中，结尾的脉冲星计时与开头的太阳钟前后呼应，寓意着计时仪器的演进从自然界的周期到人造的周期，再回到自然界的周期，揭示了一个深刻的道理：任何事物的发展都是一个螺旋上升的过程。

3.3 授时技术的发展

如果说地球是一面巨大的时钟，那么天上的星星就好比钟面上的刻度，天文学家的望远镜就好比钟面上的指针。一直以来，中国古代的时间科学工作都由天文机构承担。《尚书·尧典》记载：“乃命羲和，钦若昊天，历象日月星辰，敬授人时。”确定、保持某种时间尺度，通过一定方式把这种尺度的时间信息传送出去，供应用者使用，被称为授时工作，即时间服务。

时间都去哪了？其实，时间无处不在，已经渗透到日常生活的方方面面。随着人类社会的发展和科学技术的进步，授时系统已经成为国计民生中不可或缺的部分，关乎国家安全。在“授时技术的发展”板块，按照时间的先后顺序，摆放了各个时代的授时工具：从鸡人报时到午炮报时，从钟鼓报时到落球报时、闪光报时……在进入20世纪后，授时技术取得了重大进展，准确度、精度和稳定度不断提高，覆盖范围遍及全球，授时手段不断发展，诸如无线电授时、电视授时、电话授时、网络授时、卫星授时、光纤授时等层出不穷。

自20世纪90年代至今，美国全球定位系统、俄罗斯全球卫星导航系统、中国北斗卫星导航系统、欧洲伽利略卫星导航系统先后投入使用，开启了卫星授时的新时代。如图6所示，卫星导航系统通过建立与国家标准时间的溯源关系，保持与协调世界时的同步，进而实现授时功能。说到这里，就不得不提北斗卫星导航系统，它是中国自主研制、独立运行的全球卫星导航系统，可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供区域导航、定位和授时服务，并具备短报文通信能力。北斗卫星导航系统包括空间段、地面段和用户端三个部分。其中，空间段由35颗卫星组成：5颗静止轨道卫星、27颗中地球轨道卫星、3颗倾斜同步轨道卫星。

不过事物总有两面性，卫星授时也存在建筑遮挡、信号干扰等缺点。因此，以稳定性著称的地基长波授时再次获得了人们的青睐。2018年，“高精度地基授时系统”获批立项。作为“十三五”时期国家部署的重大科技基础设施项目之一，该系统旨在建设与星基授时系统相对独立、互补增强、融合共用的高精度地基增强型长波授时系统，实现授时信号的全国土覆盖，重点区域授时精度优于百纳秒;同时，利用我国通信光纤网建设覆盖主要城市和重要用户的高精度光纤时频传递骨干网，时间传递精度优于百皮秒。建成后，地基授时将与星基授时一起构成我国星地一体化授时体系，提升我国安全保障与科技创新能力。

日后，我国还将建设更加泛在、更加融合、更加智能的综合时空体系（PNT体系），为服务全球、造福人类贡献智慧和力量。相信此时每位观众的心中都有一种莫名的感动油然而生，對祖国美好的未来充满无限的憧憬。

3.4 精密时间的应用

在古代，人类对于精密时间的需求是天文和历法;在近代，人类对于精密时间的需求是航海和测绘;在当代，人类对于精密时间的需求则是时间同步和导航定位。从某种意义上说，时间的精度决定着人类探索未知世界的深度和广度。

精密时间为一切动力学系统和时序过程的测量和定量研究提供了必不可少的时基坐标。不仅在基础研究领域广泛应用，如量子信息、天体物理、空间天气等;而且在工程技术领域同样普遍应用，如信息通信、电力传输、公共交通等。其以完美的线性和连续性凸显客观世界的理性，成为人类认识世界和改造世界的工具。

国家授时中心推出了多种类型的时间产品和服务，其中对互联网影响最大的就是数字时间的认证服务，即可信时间戳。就电子政务、电子商务而言，文件的签署日期与签署人签名同等重要，都是防止文件被伪造或篡改的关键性内容。可信时间戳的本质是一个电子证书，能提供准确的、权威的第三方时间证明。其工作原理：根据我国的法定时间源，结合现代密码技术，通过专用互联网可信时间服务器申请时间戳，对电子文件的时间信息采取必要的安全措施。在不获取内容的情况下，确保数据的存在性和完整性，适用于电子合同、电子票据、电子档案、电子病历等。在“精密时间的应用”板块，特别设计了“时间戳体验区”，观众只需点击触摸屏，即可拍照留念，并完成时间戳的加盖，让北京时间见证您的重要时刻。加盖时间戳的数码照片，不同于一般意义的照片，它是一个可以采信的照片证据。

3.5 国家授时中心的发展历程

国家授时中心是我国唯一、专门、全面从事时间频率科学研究的学术机构，承担着我国标准时间的产生、保持和发播任务。我们始终以国家需求为己任，勇于创新、敢于攻关、善于协作、甘于寂寞，逐步形成了一个全方位、多手段、多层次的国家授时系统，面向各行各业提供可靠的高精度时间服务。

在“国家授时中心的发展历程”板块，以时间为线索，分为三个阶段。初创時期（1966—1976）：根据国防和战备任务要求，中国科学院在陕西省渭南市蒲城县筹建陕西天文台（代号“326工程”），从天文时向原子时过渡，研制并建设长短波授时台。发展时期（1980—1999）：以陕西天文台本部迁至陕西省西安市临潼区为契机，基本建成较为完整的国家授时体系。开拓创新时期（2000—2016）：新世纪伊始，在完善和提升国家授时体系的同时，向新的研究领域拓展，确立时间频率、导航定位的“一体两翼”发展格局。

4 结语

当今世界发展一日千里，科技进步日新月异，知识更新的速度之快用“大爆炸”来形容毫不为过。相应地，随着社会变革的加速，人们汲取知识的方式也在不断发生变化。在这种对知识的渴求下，科技博物馆的建设和发展得到了国家的大力支持和推动。

时间科学馆肩负着向全社会普及时间科学的责任，同时也是科研院所与公众沟通交流的平台。其集科技展览、科普教育、互动娱乐为一体，以现代化的展示手段，带领观众在参观中感受时间科学的魅力，在体验中激发对时间科学的兴趣，真正做到了思想性、科学性和艺术性的有机融合。

参考文献

[1]漆贯荣.时间科学[M].西安：陕西科学技术出版社，2000.

[2]漆贯荣.中国科学院陕西天文台（1966—2000）[M].西安：陕西天文台印刷厂，2001.

[3]李孝辉，窦忠.时间的故事[M].北京：人民邮电出版社，2012.

[4]李孝辉，窦忠，赵晓辉.北京时间：长短波授时系统[M].杭州：浙江教育出版社，2015.

[5]窦忠，刘永鑫.时间从哪来？[J].中国国家天文，2018（6）：18-35.

The story of time： The origin and construction of National Time Service Center Science Museum// CHEN Lin， DOU Zhong， LIU Yongxin

First-Author's Address National Time Service Center in Chinese Academy of Sciences， E-mail： ntsckp@ntsc.ac.cn

Abstract Designed and built by National Time Service Center in Chinese Academy of Sciences， Time Science Museum is the first science and technology museum in China that specialized in time science with the commitment to popularizing the knowledge of time science to the whole society and exhibiting the evolution of time measurement， timing， time service and time application from past to present， home and abroad. It also introduces the development history and cutting-edge achievements of the time science work in new China， which plays an important role in enhancing cultural self-confidence and improving public scientific literacy.

Keywords time science， museums， science popularization