甩掉“洋拐棍” 中国迎头赶上
——创制“北京时间”攻关纪实
“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、在国际上处于什么水平。
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,是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,到如今掌握国际上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,中国自主产生、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。
1 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。”
朋友听得似懂非懂,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。
阮军告知,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?空中的卫星距离地面有多远?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,再乘以电磁波速度,就能得出任意两点间的距离。
重点是,由于电磁波传播速度在自由空间高达每秒30万公里,如果计时器每秒有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,这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。
2 “北京时间”正式开始
叶叔华在徐家汇观象台进行时间观测。上海天文台供图
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时区的区时为标准。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”的建立工作。
这项工作落到了20岁出头的叶叔华身上,工作内容似乎极其简单——白天做算术,晚上看星星。
当时全世界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。高考完,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,每天却要重复进行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——对观测员根据其误差变化取平均值,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,正式作为我国的世界时基准,即“北京时间”向全国发播。
3 “326”工程
短波授时台地下发射机房入口。授时中心供图
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,且需要每天连续24小时不间断发播时间信号。考虑到上海偏隅东部,信号间断且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”,并纳入国家第三个五年计划中的重点项目进行建设。
最终确定的台址是陕西省蒲城县金帜山,位于唐宪宗陵附近。此地距离中国的大地原点——陕西省泾阳县不足100公里。除了建设短波授时台外,项目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,可到现场却傻了眼。
原中国科学院陕西天文台(授时中心前身)台长漆贯荣是当时的23名大学生之一,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,7人既自豪又感到幸运。后来,一位留在苏州工作的同学坐火车来陕西,经过软磨硬泡,缠得领导最终同意他留下工作。
然而,当时短波台选址在荒山野岭,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。漆贯荣领到的任务是通路,人送外号“路局长”。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一点往前挪……
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,精神头却很足,就这么一块石头一块石头地搬,他们用不到3年时间“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”工程建成竣工,周恩来总理亲自批示,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,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,就会感受到密闭恐惧的压力。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。
4 独立自主的工程
长波授时台技术人员在工作。授时中心供图
“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,要走独立自主的道路。
缺乏参考资料,中国能不能搞起来?钱学森先生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,通过自力更生,他们在距离短波授时台不远处建设了一座颇为壮观的地下4层发播机房,深达25米,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在这个时候加入了建设团队。
戴中溶的一生颇有传奇色彩。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,师长胡宗南对这个上海来的高才生非常器重,命他组建无线电通信网,后任机要室副主任、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,也没有找到只言片语的证据,最后被判刑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,老戴做事从不张扬、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过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既能满足国家需要,又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,彩车上写了几个大字——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。
5 如愿
中国科学院国家授时中心时间基准系统。李子锋/摄
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50年代,美国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。而我国也曾上马过小型铯束原子钟攻关项目,但因为种种原因未能取得成功。除了涉及多学科交叉的前沿理论外,还需要高精尖技术能力,包括材料和加工等,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,企业派驻两名职工全程参与;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,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通信等系统外,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,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,以及除美国外,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外,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,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。
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,其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10余年的通力合作,共同研制出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”的愿望,如果时间会说话,它应该会说:这盛世,如你所愿。
(原载于《中国科学报》 2024-03-07 第3版 专题)
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