科普丨涨知识了！原来标准时间是这么一回事

时间是一个基本物理量。时间测量渗透于人类活动、科学实验和国家建设的各个领域，在社会发展的各个历史时期都受到科学技术界和国务活动家们的重视。事实上，它是国计民生的一项基本工程，任何一个大国都拥有自己独立的、并力图保持同时代最好水平的时间标准和服务系统。

在向信息化时代迈进的今天，人们的日常生活正处在时间的“包围”之中。各类定时器、计算机、数据传输、电话传真……，哪一样都离不开精确的时间。国家活动的许多系统和部门，例如通信、电信、定位、导航、测绘等，其活动效率和质量，在很大程度上依赖于高精度时间服务保障。

一个明显的例子是：如果时间测量精度不能突破微秒（百万分之一秒）量级的限制，那么便不可能有今天的全球卫星定位系统，地球物理学将很难获得今天空间测量所提供的精细信息，当然也就不可能有今天这样准确的卫星气象预报和精密制导的远程武器系统。

时间标准的沿革

时间是一个连续流逝的物理量。它的测量依靠物质的连续运动。在原理上，任何一个连续运动的物理过程或物理量，都可以表征成以时间为自变量的函数。如果这个运动过程或物理量的变化是可测的，那么我们就可以以它为标准去测量时间。人类在进行时间测量的过程中，总是选取某种周期性运动过程。迄今为止，人类用以测量时间的周期运动过程大体可以分成三类，从而得到了三种科学的时间标准。

转动体的自由旋转。例如地球自转。很久以前，人们认为地球自转运动是均匀的，以它为标准获得的时间标准称为世界时。20世纪60年代之前，世界各国共同采用世界时为时间标准。但是，后来发现地球自转运动并非均匀，通过观测恒星测定地球自转又带有一些难以避免的误差。因此世界时测定精度只有毫秒（千分之一秒）量级，满足不了现代科学技术的应用需要。

天体开普勒运动。即伴星体在引力作用下绕主星体的轨道运动。例如地球绕太阳的运动。天文学家由长期观测发现，虽然地球绕太阳的公转运动速度在一年当中是有变化的，但它公转一周的时间却相当稳定。如果把地球公转周期的若干分之一定义为一秒，这样的秒长或许会相当均匀。国际天文学会联合会正是基于这样的考虑，经过论证，于1956年决定采用以地球公转运动为基础的时间标准，这就是学术界所说的“历书时”，并且规定从1960年开始，历书时取代世界时作为国际时间标准。历书时的秒长在理论上是均匀的，但要得到这样的秒长相当困难，其测定精度比世界时测定精度高不了多少，仍然不能满足现代科学技术发展的需要。

原子谐波振荡运动。当以天体运动为基础的宏观时间标准不能适应科学发展需要的时候，人们的认识又向着另一个方向——微观世界发展，开始了时间测量的又一个新进程。

我们知道，原子虽然很小，但它内部却是一个很复杂的世界。每个原子都有一个原子核，核外分层排布着高速运转的电子。当原子受到X射线或电磁辐射时，它的轨道电子可以从一个位置跳到另一个位置，物理学上称此为“跃迁”。跃迁时，原子将吸收或放出一定能量的电磁波。这类电磁波同单摆一样，是一种周期运动，只是它振荡周期更短、更稳定罢了。既然如此，我们能不能像制造摆钟那样，利用原子的振荡做出原子钟呢？这是20世纪初期物理学家们热烈讨论的问题。到了1953年，英国国家物理实验室率先利用铯原子跃迁振荡运动做出了铯原子钟。此后，其它类型原子钟相继问世。人们习惯上把原子钟确定的时间称为原子时。1967年10月，在印度新德里召开的国际计量大会正式把由铯原子钟确定的原子时定义为国际时间标准。

现代国际时间标准

现代国际时间的计量标准是国际原子时。它的基本单位是秒。一个原子时秒的长度是铯原子跃迁振荡9192631770周所持续的时间。更长的时间单位由秒的累加而得。

国际原子时由设在法国巴黎的国际权度局（BIPM）建立并保持。BIPM分析处理全世界约50个时间实验室的200多台原子钟数据，得到综合时间尺度——国际原子时。中国科学院国家授时中心参与国际原子时的建立。目前，国家授时中心有19台铯原子钟和4台氢原子钟的数据定期传送给BIPM，是对国际原子时的建立和保持作出贡献的主要实验室之一。

原子时秒长稳定，但时刻没有物理内涵。世界时恰好相反，由于地球自转速度逐年减慢、季节性不均匀变化等因素，它的秒长不均匀，但它的时刻对应于太阳在天空中的位置，反映地球在空间旋转时地轴方位的变化。这不仅与人们的日常生活密切相关，而且具有重要科学应用价值。大地测量、天文导航和空间飞行体的跟踪、定位等领域，需要知道瞬间地球自转轴在空间中的角位置，即世界时时刻；而精密校频、信息传输等应用领域，则要求均匀的时间间隔，即需要秒长稳定的原子时。

但是，时间服务部门一般不可能以同一个原子钟为基础发播时号，同时满足性质完全不同的这两种要求。于是就出现原子时和世界时如何协调的问题。

经有关国际学术组织的讨论协商，目前的协调方法是：在1958年初，调整原子钟，使原子时和世界时的时刻一致，然后原子钟运转积累原子时。由于地球自转不均匀，原子时和世界时的时刻差就会增大。当这个差值接近0.9秒时，人为拨动原子钟，使其增加或减少1秒，即实行所谓的“闰秒制”，使原子时时刻始终靠近世界时。这样得到的时间尺度称为“协调世界时（UTC：Coordinated Universal Time）”。从1972年起，协调世界时被确定为全世界的官方时间和国际民用时间标准。

目前，世界各国时间服务部门提供的标准时间，都是协调世界时。

中国标准时间

中国现代时间标准是中国科学院国家授时中心（英文缩写为NTSC）建立并保持的原子时标准，其学术代号记为TA（NTSC），民用时间标准也是由该中心建立并保持的协调世界时，记为UTC（NTSC）。人们通常所说的中国标准时间，就是协调世界时UTC（NTSC）。

中国科学院国家授时中心利用一组原子钟（目前为19台铯原子钟，4台氢原子钟），通过测量比对和算法设计，建立并保持着高精度中国原子时标准TA（NTSC）和协调世界时标准UTC（NTSC），并通过卫星与世界上主要时间实验室保持定期时间对比。

目前，TA（NTSC）和UTC（NTSC）的准确度优于3×10-13，稳定度保持在10-15量级。国家授时中心保持中国协调世界时UTC（NTSC）与国际协调世界时UTC之差已经控制在±50纳秒以内，即｜UTC－UTC（NTSC）|＜50ns。目前，在全世界50多个时间实验室中，能达到这样水平的有8个，分别是：美国海军天文台（USNO）、美国标准技术研究院（NIST）、德国物理技术研究所（PTB）、中国科学院国家授时中心（NTSC）、日本国家情报和通信技术研究所（NICT）、英国国家物理实验室（NPL）、瑞士联合实验室（CH）、俄罗斯时空计量研究院（SU）。

标准时间的传递

建立并保持某种时间标准，通过一定方式把代表这种标准的时间信息传送出去，供应用者使用，这一整套工作，在国外叫时间服务（Time Service），在中国称为授时。

授时这一称谓，或许来源于《尚书·尧典》中“乃命羲和。钦若昊天，历象日月星辰，敬授人时”这段文字。

授时有着悠久的历史。它随科学技术的发展而不断进步。

原来标准时间是这么来的，涨知识了！

文章来源中国科学院国家授时中心 漆贯荣

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