探源科技文化长河｜从“观象授时”到“量子授时”，中国人与“时”俱进

新华社合肥9月25日电（记者刘美子）时间和我们的生活息息相关。从“观象授时”概念的萌发，到依靠日晷和水钟来计量，再到高精度原子钟的诞生，在历史长河中，人类对时间测量的极致追求从未停步。

全国科普日期间，记者在中国科学技术大学采访时看到，这里的科学家们不仅在探究早期人类天文观的形成上追根溯源，也在基于量子精密测量技术不断突破中构建着当前国内指标优良的光钟系统，给出世界“一秒究竟有多长”的中国答案。

日升月落，斗转星移，在中华民族形成发展的漫长岁月里，人们早期通过“观象授时”获取时间。

考古学研究证明，距今七千多年前，我国古代天文学就已经开始萌芽，先民在大自然的生活之中形成了对日月星辰和昼夜四季的认知。

在距今5800年到5300年的安徽含山凌家滩遗址，一份刻着复杂图形符号的“无字天书”静静地躺在墓坑中。一块玉版夹在玉龟中，玉龟上钻有数个左右对应的圆孔，玉版中心是八角星，外部琢有圆圈。

这些纹饰被认为和“观象授时”有关，代表太阳、四季、八个节气和方位。“凌家滩玉版具有明确的纪日功能，形成了一种原始的太阳历系统。”中国科学技术大学科技史与科技考古系教授石云里近日发布了最新研究报告。

古人对于“观象授时”的考古实证远不止于此。翻阅文献典籍，早在《尚书·尧典》中就有记载“乃命羲和，钦若昊天，历象日月星辰，敬授人时”，“观天象、授人时”的观念上古就已形成。

“观象授时”更与农耕文明的演进同频。中国现存的农事历书《夏小正》，按十二月的时序记载了天象、气象、物象；西汉淮南王刘安的《淮南子·天文训》，最早对二十四节气进行完整总结。

西汉之后，十二时辰制和百刻制进一步将时间测量精细化，一套完整的时间测量体系逐渐清晰。元代著名天文学家郭守敬把一个回归年周期精确到365.2425天，这与现代科学推算的周期相比只相差26秒。

“从利用周年运动划分季节到利用原子能级跃迁定义‘秒’，人们一直在追寻更均匀的、可测量的、不间断的运动来计量时间，直至今天，精准授时成为一个国家竞争力的重要标志之一。”中国科学技术大学科技史与科技考古系教授钮卫星说。

从研发国内首台激光抽运小型铯原子钟、系列微型化铷原子钟，到承建增强型罗兰授时系统以及差分系统，中国科技工作者多年来不断推动国家精确授时体系建设。

由于量子精密测量技术的发展，许多国家研制的光钟的准确度已经超过当前复现秒定义所使用的铯原子喷泉钟准确度100倍。因此，国际计量委员会（CIPM）正在就实现“秒”的重新定义进行进一步准备。面对这一契机，中国科技工作者正在不断突破核心技术，为世界提供“中国时间”。

在中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心，科学家们正在为构建新一代全球时间基准与时间“赛跑”。今年初，中国科学技术大学潘建伟、陈宇翱、戴汉宁等组成的研究团队，成功研制了万秒稳定度和不确定度均优于5×10-18（相当于数十亿年的误差不超过一秒）锶原子光晶格钟。

该成果已部分满足“秒”重新定义的要求，对未来实现远距离光钟比对、建立超高精度的光频标基准和全球性光钟网络奠定了重要的技术基础，对未来构建新一代全球时间基准乃至提供引力波探测、暗物质搜索的新方法等具有重要价值。

研究人员告诉记者，在前期工作的基础上，研究团队实现了锶原子的激光冷却，并将其束缚在长寿命的一维光晶格中，利用一束预先锁定到超稳腔的超稳激光来探寻锶原子钟态跃迁，并实现了光钟闭环运行。

通过两套独立的锶原子光晶格钟进行了频率比对测量，得到单套光钟的稳定度在10000秒积分时间被达到了4×10-18，在47000秒达到了2.1×10-18。在此基础上，研究团队还对Sr1光钟的系统频移因素开展了逐项评定，最终得到其系统不确定度为4.4×10-18，相当于72亿年仅偏差1秒。

“应用方面，原子光钟最直接、最重要的应用当然是提供时频基准。我们可以精确测量那些能引起钟跃迁频率变化的物理量。”研究人员还介绍，随着人们“搬动”原子光钟的能力越来越强，各国都提出了“空间科学+原子光钟”的计划。远离地球引力，光钟的性能有望更好，结合高精度时间频率传递技术，可以建立更稳定、更精确的空间时频体系，目前我国在空间进行光钟研究的部署也已经展开。