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“雕刻”时间的人
——记国家授时中心主任张首刚和他的“时间团队”


2018年3月7日《陕西日报》第11版

    本报记者 张梅
  “现在是北京时间……”
   听到这熟悉的声音,你是否想过北京时间产生于哪里?
  其实,北京时间并非来自北京,而是来自位于临潼骊山脚下的中国科学院国家授时中心。在这里,有一群“雕刻”时间的人,他们用智慧和汗水把对时间的测量精确到千亿分之一秒。他们就是国家授时中心主任张首刚和他的“时间团队”。
  为了千亿分之一秒的精确
  北京时间是我们每天都在使用的标准时间。中国科学院国家授时中心承担着我国标准时间的发播任务。时间频率基准重点实验室依托于该中心,是我国标准时间产生、保持和应用的中科院重点实验室。
  时间频率基准重点实验室要保证我国标准时间的精确度,首先要有高精度时间频率的产生装置,也就是原子钟。国家授时中心安放了30多台原子钟,这是国内最大的守时钟组。每天,科研人员要根据原子钟的数据计算出时间,并将原始数据和计算后的数据上传给国际时间局,用来计算国际标准时间。
  高精度的时间不仅在通信、证券、航空、国防等领域具有重要意义,作为最基本的物理量,对提升国家科研水平也有着基础性作用。“时间的毫厘之差,会带来距离的千里之谬。比如飞船对接,一旦时间差百万分之一秒,就会出现300米的距离偏差。”张首刚介绍说。因此,所谓高精度,起码要做到千亿分之一秒的精确。
  为了这千亿分之一秒的精确,多年来张首刚带领时间频率基准重点实验室,围绕高精度时间频率的产生和保持,展开量子频标、时间频率测量和控制、时间频率传递、守时理论与方法、时间用户系统等方向的应用基础研究。
  判断时间性能的第一条是守时实验室的钟组在国际原子时计算时的权重。权重越大,说明这个守时实验室越重要。目前,全世界共有400多台原子钟,按照常规,每个月国际时间局会根据各地原子钟数据,计算和发布一次国际标准时间。作为全球最重要的守时实验室之一,我国的时间频率基准重点实验室对国际原子时计算的权重贡献位居世界前列。“这说明我们的原子钟精准度高,北京时间的性能相当不错!”张首刚介绍说。
  目前,围绕我国标准时间的产生、保持和应用,国家授时中心已经形成了“原子钟——守时——授时——用时”的时间频率学科链,以及以“时间——信号——轨道”为特色的卫星导航系统研发技术优势。我国空间技术、测绘、地震、交通、通信等多个行业和部门都在接受和应用着来自这支“时间团队”的授时服务。
   科研团队情系骊山
  高性能原子钟是国家战略资源。由于历史原因,我国高性能原子钟的研制水平远远落后于国际先进水平。没有自己的原子钟,我国将在时频领域核心技术上受制于人。
  2004年,张首刚辞去法国巴黎天文台职位回国后,在现任中国科学院院长白春礼的建议下,放弃了原定去上海的工作,回到故乡陕西,来到我国唯一从事时间频率科学和技术研究的中国科学院国家授时中心,从无到有组建科研团队,潜心进行高性能原子钟研制。
  张首刚说:“国家授时中心在这方面是零基础,当时整个西安地区都没有冷原子研究,可是我研究的新型原子钟恰恰需要冷原子技术,所以困难是可想而知的。”
  要取得研究的进步,首先要有一支好团队。2005年,张首刚来到国家授时中心成立量子频标研究室时,是名副其实的“光杆司令”。2007年9月,在张首刚的主导下,国家授时中心从法国国家科研中心引进第一名海归博士常宏,之后又陆续引进刘涛、董瑞芳、姜海峰、云恩学、张晓斐等时频领域高端人才。截至2017年,量子频标研究室已有科研人员65人。“他们的研究方向包括锶冷原子光晶格钟、超窄线宽激光研制、光纤高精度时间频率传递、量子时间同步、飞秒光梳、超冷原子分子物理、量子光学、芯片原子钟等,可以说涵盖了量子频标研究各个方向。”谈到同事们,张首刚有一种抑制不住的自豪感。
  一位位优秀人才的加入,壮大了国家授时中心时频研究力量:
  常宏,法国国家科研中心博士后,负责锶冷原子光晶格钟研制。
  刘涛,德国马普光科学研究所、丹麦哥本哈根大学波尔研究所博士后,负责超窄线宽激光研制、光纤高精度时间频率传递等研究工作。
  姜海峰,毕业于法国巴黎第13大学,目前在国家授时中心致力于飞秒光梳及应用研究,其研制的光梳系统达到国际先进水平。
  董瑞芳,回国前是德国爱尔兰根—纽伦堡大学和丹麦技术大学博士后,目前开展量子时间同步技术的基础理论和技术实验研究。
  云恩学,团队中入职年限最短的一名研究员。在法国巴黎天文台做博士后时,他从事高性能原子钟、芯片原子钟等应用研究,回国后主要围绕相关芯片进行产业化研究。
  ……
  十几年来,这支“时间团队”扎根骊山脚下,在锶冷原子光晶格钟、铯原子喷泉钟、超稳激光、空间光学参考腔、自旋轨道耦合偶极量子气体等研究方面均取得了突破性进展。团队的研究成果为我国国防建设、科技发展和经济建设作出了重要贡献。
   面向时间科学前沿
  近年来,光钟已经成为国际计量科学发展的一大热点。早在2006年,国家授时中心就开始部署光钟研究。
  光钟是未来最有可能重新定义“秒”的原子钟。它有什么价值呢?国家授时中心量子频标研究室研究员张晓斐介绍说:“比如老百姓在赶火车和高铁的时候,对时间精度的要求通常在秒的范围之内,也就是在秒的量级;在金融行业,上交所和深交所要准确知道金融交易时间,对同步时间精度的要求在毫秒量级范围之内;而在高速路上,移动通信要想不出现中断或延迟,对时间精度的要求要达到微秒量级。我们授时中心的光钟系统,相对于大家所熟悉的纳秒,它的准确度和稳定度已经提高了数十亿倍这样一个量级。”同时,该研究成果也将对卫星导航、通信及计算机网络同步等应用领域产生重要影响。
  卫星导航、深空探测、精密物理等领域的研究发展,需要更高精度时间传递方法。张首刚团队正在开展亚纳秒级的GNSS载波相位精密时间传递技术、卫星双向载波相位时间传递技术和光纤时间传递技术等关键技术研究,力争建立亚纳秒级远程时间传递系统,在我国精密时间传递方面发挥引领作用。
  目前,张首刚和他的团队承担着国家重大科技基础设施“十三五”建设项目高精度地基授时系统、载人航天专项空间时频实验柜试验系统等研制重任:“面向世界科技前沿和国家战略需求,国家授时中心正在着力提升守时授时技术水平、拓展授时手段,开展卫星导航信号体制、精密测定轨及卫星导航系统测试评估技术研究,建设我国唯一的卫星导航星地综合实验和评估系统。”
  未来,这些“雕刻”时间的人还将为我国独立自主的星地立体化时间频率体系建设作出更大贡献。

    “北京时间”是如何产生的?

  本报记者 张梅
  北京时间是我国的标准时间,它采用了地球东八区的区时,比国际标准时间早8个小时。国际标准时间称为协调世界时(UTC),是一种“世界时”和“原子时”折中后的计时体系。
  世界时根据地球自转周期制定,1秒是地球自转周期的1/86400。由于零度经线经过英国的格林尼治天文台,因此世界时被定义为格林尼治天文台所在零时区的时间,全世界的时间都以此为标准,各地使用时加上时区差。
  原子时是以物质的原子内部发射的电磁振荡频率为基准的时间计量系统。人们发现,铯原子的外层电子在两个能级之间进行量子跃迁(电子从原子的一个轨道跳到另一个轨道的不连续的过程)时,会辐射出一个频率为9192631770赫兹的光子,累计这种光子信号的9192631770个周期就是1秒。根据这种原理可以制造高稳定的原子钟,原子时具有均匀、稳定的时间间隔。
  世界时的时间严格反映了地球的自转。但是,由于地球自转是不稳定的,根据地球自转制定的世界时就会有误差。因此,科学家创造出一种兼有这两种时间优点的时间尺度——协调世界时。协调世界时成了国际统一的标准时间,大家的时间都要与协调世界时对准。
  协调世界时由设在法国巴黎的国际权度局(BIPM)产生。每个月的1日,国际权度局开始收集上个月全世界的原子钟数据,对全世界的原子钟进行加权平均,计算出国际原子时,加上闰秒调整以后就得到上个月全球的标准时间。协调世界时一般在当月15日左右发布,只是一个纸面的时间,只能解决事后对表的问题,不能直接使用。
  为了解决实际应用对标准时间的需要,每个国家都指定守时实验室产生协调世界时的物理实现。中国的标准时间是由位于西安市临潼区的中国科学院国家授时中心产生和保持的。协调世界时作为全球的时间标准,是零时区的时间,中国使用的时间要加上8个小时的时区差。
  那么,既然是北京时间,国家授时中心为什么会在西安呢?这是因为西安地处我国版图中央,不同精度的无线电授时信号能更好地覆盖全国。
  时间产生出来后,就是授时了。根据不同的需要,国家授时中心建立了不同的授时方式:如果需要秒量级的时间,互联网授时可以用;如果需要毫秒量级的时间,短波授时和低频时码授时可以用;如果需要微秒量级的时间,长波授时系统可以用;如果需要十纳秒量级的时间,北斗卫星导航系统的时间可以用。
  据了解,目前我国已经启动了国家重大科技基础设施、“十三五”建设项目高精度地基授时系统建设,该系统将用光纤将优于0.1纳秒精度的标准时间送到全国重要城市,那将是世界上精度最高的授时系统。


时间: 2018-03-13 09:22:34 作者: 点击次数: 1187
来源: 宣传教育与科普处转载
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