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【三秦都市报】探寻时间的秘密

发表日期:2019-11-14来源:三秦都市报放大 缩小

  “现在是北京时间X点整。”这样的声音我们经常听到,同时也是我们十分熟悉的一个概念。那么,北京时间是怎么来的,又是从哪里发出的呢?记者前往国家授时中心进行采访,为您揭开有关时间的秘密。

  协调世界时是全球的标准时间

  在了解北京时间前,我们先来了解一下国际标准时间。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。

  中国科学院国家授时中心党委书记窦忠介绍,世界时是以地球自转周期为基准得到的时间尺度,定义为英国格林尼治天文台所在的零子午线上看到太阳周日视运动得到的时间,将子夜时刻作为世界时时刻的0时,1秒的定义是地球自转周期的1/86400。

  原子时是以原子内部电磁震荡频率为基准的时间尺度。科学家发现,铯133原子的外层电子在两个超精细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,跃迁辐射频率为9192631770赫兹,定义这种辐射信号持续9192631770个周期的时间为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原子时和世界时这两种时间尺度优点的时间尺度——协调世界时。简单来说,科学家的做法是调整原子时,使其时刻与世界时保持一致。也就是说,既然“地球钟”不能随意拨动,只好拨动原子钟,让它尽量接近地球钟,这种调整就是“闰秒”。这种时间尺度实际是原子时秒长与世界时时刻相互协调的产物,因此称之为协调世界时(UTC)。协调世界时事实上成为全世界真正使用的标准时间。

  我国标准时间为什么叫北京时间

  我国幅员辽阔,从西到东横跨东五、东六、东七、东八、东九五个时区,新中国成立后,全国统一采用首都北京所在东八区的区时作为标准时间,称为北京时间,比国际标准时间早8个小时。

  世界上的标准时间是协调世界时(UTC),所有的时间都要和它对准。协调世界时由设在法国巴黎的国际权度局(BIPM)负责计算产生。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,所以,各个国家都需建立自己的标准时间,建立的时间与协调世界时的偏差需要控制在100纳秒以内。我们国家的标准时间与协调世界时的偏差已经控制在10纳秒以内。

  为什么会出现闰秒现象

  “闰秒,让地球所用的时间等一下地球自转的脚步,一般情况下2~3年会差一秒。”窦忠说,世界时是以地球自转为基础的时间标准,但是,地球自转速率因诸多因素影响是不均匀的,亦即,一年之中它的秒长是不断变化的,而原子时的秒长是均匀的。我们实际使用的标准时间是协调世界时,它采用原子时的秒长,而在时刻上尽量靠近世界时,当协调世界时与原子时的偏差预测超过0.9秒时,给予协调世界时一个整秒的调整,这就是闰秒。

  闰秒一般在格林尼治时间12月或者6月的最后1秒实施。由于北京时间比格林尼治时间提早8小时,因此中国时钟在1月1日或7月1日早上8时实施闰秒。

  北京时间为什么在西安产生

  北京时间实际上是东经120°经线上太阳周日视运动的时间(科学地讲,叫地方平太阳时),而不是北京的地方平太阳时。北京的地理经度为东经116°21`,因此严格说北京时间与北京地方平太阳时相差约14.5分。尽管北京时间是采用北京所在的时区的时间,但实际上是由位于西安市临潼区的中国科学院国家授时中心产生、保持的。

  既然是北京时间,那么为什么会由位于西安的国家授时中心产生呢?窦忠介绍说,国家授时中心产生和保持的地方协调世界时是国家大科学工程——长短波授时系统授时发播的标准时间,也是计算北京时间的基础。之所以把北京时间的产生地设在西安,最主要的原因是,从地理上说,这里发出的无线电波有利于覆盖我国大部分的陆地和近海,让我国绝大多数时间用户都能收到标准时间频率信号。

  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:如果需要毫秒量级的时间,可以接收短波授时;如果需要微秒量级的时间,可以接收长波授时;如果需要十纳秒量级的时间,北斗卫星导航系统授时可以满足。

  时间工作的核心是守时(标准时间的产生和保持)系统,由原子钟组、测量比对、数据处理和原子时归算、国际时间比对和溯源等组成。国家授时中心守时系统为我国长短波授时、卫星授时、通信系统、电子商务、电话授时、网络授时等授时系统提供高精度的标准时间信号。国家标准时间在西安临潼产生,但长波和短波授时台在渭南蒲城,高精度时间的发播也主要是由这里的长短波授时系统完成。

  我国的授时水平居世界前列

  2018年是国际权度局时间公报Circular-T(简称T公报)出版发布30周年,T公报1988年3月1日出版,国家授时中心已连续30年为其提供数据支持,长期综合性能排全球前三位,这标志着我国守时授时水平位居世界前列。国家授时中心从1980年起参加国际原子时的计算,持续为国际原子时归算和T公报提供数据。中科院国家授时中心时间频率基准重点实验室已成长为对国际原子时计算权重贡献位居国际前列、性能国际先进的全球最重要的时间实验室之一。

  精密时间为高精尖科技保驾护航

  每个人都接触时间,每个人都关心时间,高精度时间已经成为一个国家科技、经济、军事和社会生活中至关重要的参量,广泛应用于导航、电力、通信、航空、国防等领域。比如,在交通领域高精度时间频率同步成为智能交通网建设的关键问题。塔台向飞机发送无线电信号,飞机收到信号后转发到塔台,塔台测量信号发出到接收的时间间隔,根据时间间隔判断飞机的距离。时间测量精度决定了飞机距离的测量精度,时间测量精度提高一倍,可把两架飞机的距离测量精度缩短到原来的一半,相等的空间可以容纳更多的飞机,能大幅度地减少飞机航道的拥堵现象。高精度时间在电力系统中也有着广泛应用,大量发电机并网发电就需要保持高度时间同步,并网主要设备的时间要同步到微秒量级。同时,时间也可以充当输电线上的侦察兵。当高压输电线不幸被雷击中,高精度时间就可以实现对故障点的快速定位。此外,当前炙手可热的5G通讯也需要高精度时间来保驾护航,没有时间同步就无法实现通讯,5G基站有着非常高的时间同步要求,精度要达到十几个纳秒。

  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,该项目主要建设内容包括两个部分:一是在现有长波授时台基础上,在西部地区增补完善增强型长波授时系统,实现长波授时信号全国土覆盖,重点区域授时精度优于百纳秒(较现有长波授时系统提高1个量级以上);二是利用通信光纤网建设覆盖主要城市和重要用户的光纤时频传递骨干网,时间传递精度优于百皮秒,频率传递精度优于E-19量级。建成以后,我国长波和光纤授时均达到国际先进水平。

  “高精度地基授时系统” 是陕西省“十三五”期间唯一负责建设的国家重大科技基础设施项目,该项目旨在提高我国授时系统的安全性、可靠性和授时精度,对科学研究和基础产业发展具有重要意义。项目核心部分将在西安市建设,包括国家时间基准(北京时间)的产生和保持系统、地基授时总体监测控制系统、授时差分控制及信息处理平台、时频大数据科学研究平台、多学科交叉融合基础研究与学术交流平台、国家时间频率体系控制中心、空间时间频率技术研发平台等。建成以后将奠定西安成为国家时间频率技术研发和产业发展的重要基地的地位。对西安当地政务、商务、金融、证券行业的发展,对智慧城市、智能家居、室内定位、无人驾驶等技术和产业将带来革命性发展,有力推动“数字化西安”建设。特别是对于助推西安市建设综合性国家科学中心具有重要意义。 

本报记者 王嘉

 

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