甩掉“洋拐棍”

“北京时间7点整。”

当这熟悉的声音从广播电视中传来，人们往往会好奇，什么是“北京时间”，它是如何产生的，它的精度有多高，对国际社会有啥贡献和作用。

带着这些问题，我们走进产生、保持和发播“北京时间”的单位——中国科学院国家授时中心（以下简称授时中心）。在这里，我们了解到，看似寻常的“北京时间”，背后有一段中国科学家攻坚克难、甩掉“洋拐棍”的故事。

从最早使用进口钟，到如今掌握国际最先进的原子钟技术，70余年来，几代“北京时间”守护者以有效满足国家需求为使命，将国家意志牢记于心，坚持追求“代表国家最高水平”，为国守时，无问西东。

如今，中国自主创制、保持的国家标准时间——“北京时间”能够运行6000万年不差1秒。其准确度、稳定度及对国际标准时间产生的贡献权重稳居世界前列，并有望在近年内冲击全球第一。

时间要那么精确有啥用

阮军在授时中心读了6年博士才毕业。朋友们经常好奇地问他：“你到底是干什么工作的？博士为什么要读这么久？”

“做原子钟，保证‘北京时间’更加精准。”

朋友似懂非懂，往往会追问一句：“时间要那么精确有啥用？”

确实，在大众的观念中，时间精确到分钟就可以了，连秒都不需要，更不用说皮秒、飞秒、阿秒、仄秒了。

阮军说，时间这一物理量之所以重要，不仅在于其本身，还在于可以应用其提高相关物理量与物理常数的测量精度，检验一些基础理论，如相对论的正确与否。

其中，最常见的需求是测距离。一座山到另一座山有多远？出海的舰艇离港口有多远？太空中的卫星距离地球有多远？世界上没有一把长到能够测量出这些距离的尺子，而通过发射电磁波并测量电磁波传输的时间，再乘以电磁波的传播速度，就能得出任意两点间的距离。

重点是，由于电磁波的传播速度在自由空间高达每秒30万千米，如果计时器有1微秒即百万分之一秒的误差，最后得出的距离数据就会相差300米。

举例来说，假如载人飞船和空间站交会对接时出现了几秒误差，并不意味着它们会比原定时间晚一点对接，而是根本无法对接；发射和测控巡航导弹时，更是“差之毫厘，谬以千里”；飞机、军舰、战车都需要测量信号从卫星到自身所用的时间，以确定位置、校正航向。

可以说，一个测不准时间的国家，是没有条件打一场现代战争的。

“海湾战争时期美国就打出了导航战。现在，授时战又成为一种新的战争形态。”授时中心党委书记窦忠指出，最近世界上发生的几次战争中，当地上空的导航和时间信息都有被破坏的痕迹。

在民用领域，高精度时间同样意义非凡。有了毫秒级的时间，电网可以高效运行；有了百纳秒级的时间同步，移动通信可以进入5G时代；有了纳秒级的时间应用，卫星导航才能提供精准服务……

授时中心主任张首刚介绍，时间是7个基本物理量中测量精度最高、应用最广的一个，精度比其他物理量高出至少四五个量级，且没有“天花板”。随着基础研究的不断深入和科学技术的发展，无论是国民经济还是国防建设、国家安全等，对时间精度的需求都在不断提高。

“这是一辈子都做不完的事，也是值得做一辈子的事。”张首刚说。

“北京时间”正式开始

时间回到70年前，在位于祖国东部沿海的上海，一位刚参加工作的女大学生同样在苦苦追问：“时间要那么精确到底有啥用？”

她就是“北京时间”创制奠基人之一、中国科学院院士、中国科学院上海天文台原台长叶叔华。

1949年，中国人民政治协商会议第一届全体会议通过4项决议案，分别是确定首都、纪年、国歌和国旗，并将“中原标准时间”改为“北京时间”，以首都北京所在的东八区的区时为标准。之后，中国科学院领命接管了原先上海法租界的徐家汇观象台，正式开始了“北京时间”的创制工作。

这项工作落到了20岁出头的叶叔华身上，工作内容看起来极其简单——白天做算术，晚上看星星。

当时全球统一使用的世界时以地球自转为基准，要靠观测恒星的位置来确定。徐家汇观象台作为中国唯一可以发播标准时间的天文台，每天上午11时和下午5时准时通过租用的商业电台向全国授时，每次播报5分钟。

叶叔华从小成绩优异。高考后，父亲让她去打听考上没有，她不紧不慢地说：“不用打听，我肯定考上了。”果然，叶叔华以第一名的成绩考入中山大学数学天文系。

这样一个聪慧的人，每天却要重复做严格又枯燥的观测和计算工作。回忆起往事，今年已97岁高龄的叶叔华笑着告诉记者：“来了3天就想走了。别人都以为搞天文的很浪漫，一旦自己上手就讨厌死了，心里很不甘，难道一辈子就这样了吗？”

叶叔华后来之所以改变想法，是因为她了解到就是这样一份枯燥难耐的工作，对当时正在进行的全国地图测绘至关重要。

“世界时实际上是地球在宇宙中的位置。”叶叔华说，绘制地图需要在统一的时间标准下测量位置，才能将分散的地图拼起来。而过去的中国，军阀混战，连一张统一的地图都没有。

原来，在高山上、森林里、大漠中，每日都有许多人守在无线电设备前，通过听徐家汇观象台播报的时间来校准自己的小钟。只有这些小钟足够精准，我们的地图才足够清晰，一穷二白的新中国才能开展急需的基础设施建设。

从此，叶叔华仿佛打通了“任督二脉”，拼了命也要把工作做好。

很快，叶叔华施展才华的机会来了。1958年，徐家汇观象台着手筹建我国自己的综合世界时系统，31岁的叶叔华挑起了这个担子。

那时的徐家汇观象台设备老旧、技术过时，特别是钟。叶叔华回忆，那是一台法国传教士留下的老式摆钟，摇摇欲坠，经常要拿糯米糨糊修修补补。因此，在全球60多个天文台参与报时的国际标准时间中，中国的权重一直排在末尾。后来，在国家的支持下，徐家汇观象台“鸟枪换炮”，终于拥有了一台当时最先进的石英钟。

此外，中国还需要自创一套测时算法。经过反复试验，叶叔华采用独特的方法——根据观测员采集的数据误差变化取平均值，从而创立了一套独立的时间测量方案。

1965年，我国“综合时号改正数”通过国家技术鉴定；1966年初，“北京时间”正式作为我国的世界时基准向全国发播。

“326”工程

1964年，我国第一颗原子弹爆炸成功，紧接着就要加紧研制“两弹一星”中的导弹和人造卫星，而这两项工作都极度依赖精准的时间系统，且需要24小时不间断地接收发播时间信号。考虑到上海偏隅东部，信号不能覆盖到西部边疆，同时不符合战备安全要求，国家明确提出“在西安地区建立短波授时台”，并将其纳入国家第三个五年计划中的重点项目。

最终确定的授时台址位于陕西省蒲城县金帜山，离唐宪宗陵不远。此地距离中国的大地原点——陕西省泾阳县不足100千米。除了建设短波授时台，还开展世界时和原子时研究工作，代号“326”工程。

“科技国家队”——中国科学院再次领命，组织一批科学家和相关专业毕业的大学生，从上海、南京、北京等地奔赴大西北。大家怀着满腔热情，坐着大卡车进入金帜山，可到了现场后都傻了眼。

原中国科学院陕西天文台（授时中心前身）台长漆贯荣是当时被派往金帜山的大学生之一，毕业于南京大学天文系。他和6名同班同学一起被分配到“326”工程，其他同学则留在南京、无锡等地参加工作。因为能参与国家重大项目建设，这7人感到既自豪又幸运。后来，一位留在苏州工作的同学坐火车来到陕西，经过软磨硬泡，缠得领导最终同意他留下来工作。

然而，当时短波台的选址在荒山野岭，宿舍建在山坡上。说是到短波台工作，可短波台又在哪儿呢？漆贯荣的同班同学王正明形容：“好像一盆冷水从头顶浇了下来。”

大家首先要解决“三通”问题——通水、通电、通路。漆贯荣，人送外号“路局长”，领到的任务是通路。他先找到一家设计单位画了图纸，再找附近农民帮助施工，不到3个月就铺通了一条石子路。

通水则麻烦得多，他们往地下打了100多米都没有找到水，后来不得不引水上山。山上老乡家用的是露天接下的窖水，他们有时渴了向老乡讨水喝，得到的往往只是一个馒头。当时的金帜山是名副其实的不毛之地，连一棵树都没有。有一次，漆贯荣被晒得受不了，只得找了一个地洞钻进去，进去后才发现那是一个盗洞，墙上还清晰地保留着前人的手印。

就这样，不管是领导、科学家还是大学生，不管是男同志还是女同志，大家一起卸钢筋、拉水泥，不分昼夜地工作，不知道磨坏了多少副帆布手套。没有吊车，他们就在地上铺钢管，将几吨重的机器一点儿一点儿地往前挪……

那时交通不便，去邻县办事要走三四天，除了搭老乡的马车，就是靠两条腿走。生活虽苦，精神头儿却很足，他们就这么一块石头一块石头地搬，不到3年时间就“搬”出了新中国第一座国家标准时间专用短波授时台。

1970年，“326”工程竣工，周恩来总理亲自批示，授时台从1971年1月1日起正式启用。从此，我国具备了自主可控、全国土覆盖、连续发播的陆基无线电授时能力。“326”工程也正式更名为“中国科学院陕西天文台”。这些来自天南海北的年轻人大部分都留在了陕西，从风华正茂到白发苍苍，为祖国的时间频率科技事业奉献终生。

1998年，短波授时台经过技术升级在新址重新建设运行，金帜山上的短波授时台结束历史使命，停用封存，后被列为省级重点文物保护单位、国家工业遗产。如今，授时台地面大厅作为国家科学家精神教育基地再次向公众开放。

今天，来到位于山洞中的短波授时台发射机房，推开厚重的防核弹级别的大门，依旧能闻到浓烈的柴油味儿，一些废旧仪器设备表面还留有清晰的红字：“人民，只有人民，才是创造世界历史的动力。”一般人在这里待上几分钟，就会感受到来自密闭空间的压力。很难想象，当时的技术人员是如何在这阴暗潮湿的山洞里每日三班倒、不分昼夜地工作的。

“326”工程竣工后不久，它的兄弟工程“3262”工程登上了历史舞台。

独立自主的工程

“3262”工程指1973年启动建设的长波授时系统工程。同短波相比，无线电长波信号稳定性好、抗干扰能力强，授时精度比短波高3个数量级，但技术复杂度也更高，美国和苏联也是在20世纪五六十年代才开始建设长波授时系统的。苏联曾提议同我国共建长波授时导航系统，但我国领导人认为授时系统必须掌握在自己手中，走独立自主的道路。

缺乏参考资料，中国能不能搞起来？钱学森在方案论证会上的讲话鼓舞了大家，他说：“‘3262’工程不光是科委的需要，不光对尖端技术重要，而且与我国自然科学，乃至整个科学的发展，都有关系。”

就这样，同研制“两弹一星”一样，来自中国科学院、电子工业部等全国几十家科研单位的上千名科学家、技术工人如潮水般再一次涌向陕西蒲城。这一次，他们自力更生，在距离短波授时台不远处建了一座颇为壮观的地下4层发播机房，深达25米，机房与地面宏大的天线系统一起，构建了长波授时系统。

分别来自北京和上海的“3262”工程技术负责人戴中溶和苗永瑞就在这个时候加入了建设团队。

戴中溶的一生颇具传奇色彩。他和钱学森是上海交通大学同一届的校友，1934年毕业后被分配到西安国民革命军，受到师长胡宗南的器重，领命组建无线电通信网，后任机要室副主任，挂少将军衔。但戴中溶在目睹了国民党的黑暗之后萌生去意，在妹妹的帮助下成为一名红色特工。1947年9月，由于叛徒出卖，戴中溶被捕入狱，但军统特务搜遍他的住所，也没有找到一星半点儿的证据，最后他被判刑10年，在监狱中等到了解放。

1972年，任中国科学院二局副局长的戴中溶在63岁时接下了主持建设长波授时台的重任。他技术精湛、为人和善，年轻人都称呼他“老戴”。也许是在隐秘战线工作中形成的风格，老戴做事不张扬、不计名利，令人钦佩。

苗永瑞则是作为科研骨干从上海天文台被派至“3262”工程的。他曾在苏联天文总台进修3年，对时间工作和天文观测都非常熟悉。在他的带领下，长波授时台将我国授时精度提高了1000倍。工程竣工后，苗永瑞陆续担任陕西天文台副台长、台长等职，培养了一批科研骨干。1987年卸任台长后，由于家眷仍在上海，苗永瑞回到上海天文台工作，1991年当选为中国科学院院士。可惜天妒英才，1999年苗永瑞因患胰腺癌去世。

叶叔华评价说：“苗永瑞为建设陕西天文台立了大功，使我国时间服务工作满足了国家需要，又使陕西天文台成为国际上重要的授时台。”

1983年，长波授时台竣工，开始以全功率试验发播长波授时信号。1984年，长波授时台彩车参加了国庆35周年游行，彩车上写着：同步精度百万分之一秒。

要知道，这样的时间精度是在系统器件国产化率100%的前提下取得的。整个“3262”工程，大到发射机、天线，小到二极管、电容，完全依靠我国科技工作者独立自主研制完成。他们在国外技术封锁的大环境下走出了一条自主创新之路。1988年，“长波授时系统的建立”荣获国家科技进步奖一等奖。

50多年来，从“东方红一号”到北斗卫星，从我国首枚运载火箭到“嫦娥”飞天，长短波授时系统为国家重大任务提供了可靠的高精度授时服务，多次受到国家嘉奖。

如愿

1969年，新中国成立20周年国庆前夕，有关部门曾上报我国授时工作的成就，周恩来总理看到后询问用的是什么钟，答曰进口钟。周总理便说先不要宣传，要甩掉“洋拐棍”，下决心研制先进的标准钟，赶上并超过他们。

这里提到的标准钟便是原子钟。与传统计时仪器相比，它的先进性迈上了一个大台阶。

20世纪40年代，美国科学家率先提出原子钟的概念，它以原子的共振频率来计时。1967年，国际计量大会将时间单位“秒”的定义由此前的天文定义修改为原子定义——铯原子基态超精细能级间量子跃迁时所产生的电磁波振动9192631770个周期所持续的时间为1秒。5年之后的1972年，国际上又将通用的国际标准时间从单纯基于地球自转测量的世界时修改为结合了原子时和世界时的“协调世界时”。

张首刚介绍，在时间科学领域，谁掌握更先进的技术，谁就处于领先地位，拥有话语权。继美国之后，法国科学家发明了冷原子铯喷泉钟，将原子钟的精度又提升了一个数量级。而我国也曾上马小型铯束原子钟攻关项目，但因为种种原因未能取得成功。该项目除了涉及多学科交叉的前沿理论，还需要高精尖的技术能力，包括材料和加工技术等，研发难度极高。

2004年从法国巴黎第六大学博士毕业后，张首刚回国工作，立志做出“中国制造”的铯喷泉钟。此举令他的法国导师极其不解：“你在这里已经做了世界上最好的原子钟，为什么还要回国？”

张首刚当时并没有回答，因为他的答案也许只有中国人才懂：“因为我的祖国需要。”

回国后，为了加快研究落地的进度，张首刚采用了同企业合作成立联合实验室的方式。前期研发阶段，企业派驻2名职工全程参与；后期生产阶段，科研人员则长期“泡”在企业里，指导研制。一次，张首刚听见企业老领导问他们的年轻干部“什么时候能把国家需要的小铯钟做出来”，他便知道，自己找对了合作企业。

小铯钟是目前最主流的守时原子钟，美国从20世纪50年代起就对这一技术严防死守，连欧洲都限制出口，中国想购买更是困难重重。

经过几年摸索，2017年，张首刚团队与企业合作，基于新理论和新技术，研制出了国际首款激光抽运小铯钟产品，性能比美国产品还要好，除了装备我国的时间、导航、5G通信等系统，还出口到欧洲。

2018年，美国宣布对中国彻底禁售小铯钟。幸好，我们提前啃下这块“硬骨头”，避免了一次“卡脖子”。

此外，张首刚团队还研发出性能先进的冷原子铯喷泉基准钟、冷原子锶光钟、世界上体积最小的高性能芯片原子钟，以及除了美国，只有我国研发出的铷原子喷泉守时钟。

如今在授时中心，有40多台不同类型的守时原子钟连续运行，综合产生着稳定的“北京时间”，并通过铯喷泉基准钟自主校准。“现在，世界上除了美国，就只有我们中国拥有产生国家标准时间的所有核心设备的研发能力。我们可以不受外界干扰，自主保持‘北京时间’的准确性和稳定性。”张首刚说。

2018年，国际权重和度量局致函授时中心，表示其“具有发达的守时能力，时间偏差稳定保持在5纳秒之内，已经进入国际领先行列”。而如今，这一偏差已经稳定在2纳秒之内，位列全球前三，且偏差还在持续减小。

张首刚表示，世界时除了能提供标准时间，还是实现地球坐标系与天球坐标系转换的重要参数，可以说是一种战略资源。20世纪90年代，我国在应用西方主导的联测数据后停止了自主测量，结果在后来的几次航天发射和军事活动中，都“巧遇”国外数据无法下载的情况。现在，授时中心建成我国自主的世界时测量与服务系统，满足了国家需求，实现了“北京时间”产生的科技自立自强，并正在建设更为先进的星地交叉立体国家授时体系。

展望未来，国际上公认的光钟也许会取代铯原子钟，重新定义时间单位“秒”。“光钟比铯原子喷泉基准钟的精度还要高两三个量级，能达到运行几十亿年误差不到1秒。”张首刚表示。

面对这样一个改写教科书的机会，世界各国都在加紧研发的步伐。

2022年10月31日，我国空间站梦天实验舱顺利发射，其搭载的由3台钟组成的世界首套空间原子钟组中，就包括世界上第一台空间光钟。中国科学院的建制化优势再次得到充分发挥，十几家单位、200多人、历时十余年的通力合作，共同研制出了空间站高精度时频实验系统。

历时近半个世纪，重温周恩来总理甩掉“洋拐棍”的指示，如果时间会说话，它应该会说：“这盛世，如您所愿。”