作者| 李孝輝，中科院國家授時中心研究員
時間，現在已經成為我們生活中的一個基本參量，現代人的生活分秒必爭，所以每天我們都要看無數次時間：起床要看，上班要看，走路要看，吃飯也要看……可以說，沒有時間就無法生活。
但是，如果時間不準該怎麼辦？你可能會說，不會呀，我的手機時間是基站提供的，我的手錶可以不斷與電台對錶，可是，手機基站和電台又是和誰對的時間呢？最後的最後，一切會歸結到中國的標準時間——北京時間。現在，終極問題來了：北京時間准嗎？
要弄清楚北京時間準不準，我們先要弄清楚北京時間如何來的。
（一）兩種計時體系：地球自轉和量子躍遷
在上世紀 60 年代以前，人們使用的是世界時。
1 秒是地球自轉周期的 1/86400，根據這樣的秒定義出的時間就是世界時。由於零度經線經過英國的格林尼治天文台，因此世界時被定義為格林尼治天文台所在時區的時間，全世界的時間都以此為標準，各地使用時加上時區差即可。
圖 1 地球自轉周期的變化
遺憾的是，地球自轉是不穩定的。圖 1 是近 40 年內一天長度的變化，橫坐標是年，縱坐標是一天的長度與 86400 秒的偏差。從圖中可以看出，地球自轉的長期趨勢是變慢的，但也存在不規則的變化，有時候快，有時候慢。這樣，根據地球自轉制定的世界時就會有誤差。在現代科技飛速發展的情況下，這種世界時很快就達不到人類對時間精度的要求了，於是人們就去尋找新的“鐘錶”。
人們發現，銫原子在兩個能級之間進行量子躍遷（電子從原子的一個軌道跳到另一個軌道的一個 不連續的過程）時，會輻射出一個頻率為 9192631770 赫茲的光子，累計這種光子信號的 9192631770 個周期就是 1 秒，根據這種原理可以製造高穩定的原子鐘。緊接著，把全球四百多台原子鐘的時間一平均就能得到國際原子時，這樣的秒比世界時的秒穩定上千倍。
於是，人們就想把原子時作為標準時間，但這也並不是一件容易的事。
（二）無可奈何的折中：讓 1 分鐘變成 61 秒
世界時的時間嚴格反映了地球的自轉。在測繪、深空探測、航空、航海等領域，需要對太空或者地球進行觀測，希望能知道地球什麼時間在什麼位置，這需要世界時。另外，用原子時還會有另外一個問題，由於地球自轉變慢，三萬年以後，原子時的 24 小時對應世界時的 30 小時，有的時候，午夜零點太陽就升起來，那這種情況到底該不該起床呢？所以，使用原子時也會給人的生活帶來麻煩。
儘管如此，仍然有很多人需要用原子時。在電子、通信等行業，這些人根本不關心地球轉到什麼地方，他們只需要均勻、穩定的時間間隔，他們認為，原子時是最好的時間。
這兩幫人就吵了起來，到底該怎麼辦呢？
需要世界時的人需要的是世界時的時刻，需要原子時的人需要的是原子時秒長的均勻性，於是，科學家想辦法創造出一種兼有這兩種時間優點的時間尺度——協調世界時(UTC)。
協調世界時的秒長忠實地反映原子時的秒長，但規定協調世界時的時刻與世界時的時刻差保持在 0.9 秒以內。如果時刻差將要超過 0.9 秒，就在協調世界時中走出一個額外的 1 秒，使兩者的下一秒接近。
圖 2 協調世界時的閏秒和北京時間的閏秒
國際上統一規定，這一秒加在協調世界時的 6 月 30 日或者 12 月 31 日的最後一分鐘的最後一秒。這一分鐘不是直接從 59 秒跳到 0 秒，而是從 59 秒跳到 60 秒（圖 2），再跳到 0。這樣，下一秒的協調世界是和世界時又比較接近了。這種協調的結果，使協調世界時的 1 分鐘有可能變成 61 秒，多出來的 1 秒就是閏秒，閏秒根據地球自轉的情況全球統一添加。
如果用一個比喻來說明兩者的關係的話，世界時和原子時兩兄弟，原子時大哥精力比較好，一步一步均勻地在走，世界時小弟精力不好，越走越慢，等他兩個相差到 0.9 步的時候，原子時大哥停一步（閏步），讓世界時小弟跟上來，這樣，世界時就會比原子時超前 0.1 步，兩兄弟之間的距離始終不會差一步。這樣走出的時間就是協調世界時。
這下，大家都滿意了，協調世界時成了國際統一的標準時間，大家的時間都要與協調世界時對準。
（三）北京時間的產生：從滯后的時間到實時的時間
協調世界時可以理解為加了閏秒的原子時，由設在法國巴黎的一個國際組織——國際權度局（BIPM）產生。
圖 3 協調世界時的產生過程
協調世界時的產生過程如圖 3 所示。每個月的 1 號，國際權度局開始收集上個月全世界的原子鐘數據，對全世界的原子鐘進行加權平均，計算出國際原子時，加上閏秒調整以後就得到上個月全球的標準時間——協調世界時，一般在 15 號左右發布。
看出問題了吧？協調世界時要滯后 45 天到 15 天，它只是一個紙面的時間，只能解決事後對錶的問題，是不能直接使用的。
為了解決實際應用對標準時間的需要，每個國家都指定守時實驗室產生協調世界時的物理實現，命名為 UTC(K)，K 是守時實驗室的縮寫，UTC(K)是一個國家的標準時間。中國的標準時間是由中國科學院國家授時中心（圖 4）產生和保持的，命名為 UTC(NTSC)。
圖 4 中國科學院國家授時中心
協調世界時作為全球的時間標準，UTC(K)作為協調世界時的物理實現，都是 0 時區的時間，中國使用的時間要加上 8 個小時的時區差。所以，北京時間=UTC(NTSC)+8 小時。
（四）北京時間的性能：各項指標均在世界前五名
北京時間是 UTC(NTSC)加上 8 個小時的時區差，北京時間的性能就要看 UTC(NTSC)的性能。
判斷時間性能的第一條是守時實驗室的鐘組在國際原子時計算時的權重，權重越大，說明這個守時實驗室越重要。國際權度局（BIPM）每年的年報上可以看出在一年內各實驗室的權重，圖 5 是 2016 年數據，在世界上的近 80 個守時實驗室中，中國國家授時中心以 5.5%的權重排第四名。
圖 5 2016 年主要守時實驗室權重
UTC(NTSC)是協調世界時的物理實現，需要依據原子時的秒長產生，中國的原子時是 TA(NTSC)，TA(NTSC)的穩定度決定了 UTC(NTSC)的穩定度，在不同取樣時間下，TA(NTSC)的穩定度在世界上排名在 2～5 名左右。
2013 年 9 月，日內瓦的一次國際會議上，討論到有關時間的問題，國際權度局時間比對部的負責人 Dr.Lewandowski，在圖 6 公布了他們對各守時實驗室的 UTC(K)的研究分析結果，7 年 2800 天的結果表明：排名第一的是美國海軍天文台保持的 UTC(USNO)，俄羅斯的 UTC(SU)第二，中國的 UTC(NTSC)排名第三。這就是 UTC(NTSC)的準確度。
圖 6 國際上知名實驗室保持標準時間的偏差
實際上，從圖 7 可以看出，從 1998 年開始的 14 年內，UTC(NTSC)的準確度一直在提高，特別在 2013 年 1 月以後，偏差小於 10 納秒，全世界能夠連續幾年保持在 10 納秒以內的實驗室不到 5 個。
現在放心了吧，北京時間還是不錯的，準確度在世界上處於前五名。
圖 7 UTC(NTSC)與 UTC 的偏差
（五）北京時間的發布：授時系統
到現在，我們知道了，北京時間是很準的。但是，北京時間在西安產生，難道對一次時間就要到西安一趟？那也太不方便了。這就要說到國家授時中心的另一個職能——授時了。
所謂授時，就是用各種手段將國家標準時間廣播出去。有了國家授時中心的授時體系，我們足不出戶，就可以獲得北京時間。
說到授時，就要說一說 84 年的國慶閱兵，10 輛遊行彩車裡面有 1 輛（圖 8），上面寫著“長波授時，同步精度百萬分之一秒，中國科學院”，這就是指中國科學院國家授時中心為主建設的長短波授時系統，這被列入中國的第一批重大科技基礎設施，為中國提供精度為微秒量級的授時信號。順便說一下，現在的貴州 500 米大口徑天線、上海光源、北京正負電子對撞機等，都屬於重大科技基礎設施。
在彩車上，以西安為中心，有一圈圈的同心圓，這些圓就是不同精度的授時信號覆蓋範圍，這也就解釋了為什麼要把國家授時中心建在西安：地處中部，授時信號能更好的覆蓋全國。
圖 8 長波授時台的國慶慶典彩車
結語
50 年來，中國的授時體系逐步完善。如果你需要秒級精度的時間，互聯網授時可以用；如果你需要毫秒量級的時間，短波授時和低頻時碼授時可以用；如果你需要微秒量級的時間，長波授時系統可以用；如果你需要十納秒量級的時間，北斗衛星導航系統的時間可以用。所有的授時系統，廣播的時間都溯源到 UTC(NTSC)，也就是說，使用這些授時系統，你都可以獲得 UTC(NTSC)。
對了，最後再交代一句，在十三五，我們國家已經啟動了另一個重大科技基礎設施的建設，用光纖將優於 0.1 納秒精度的標準時間送到全國重要的城市，那將是世界上精度最高的授時系統。
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