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主题为“和而不同，思想无界”的CC讲坛第52期演讲2023年2月24日在北京举行。来自中国科学院国家授时中心副研究员陈江出席，并以《原子钟，时间的毫厘之争》为题发表演讲。
以下为演讲全文：
早在几千年前，当人们还在仰望星空的时候，对神秘的宇宙一无所知，现如今，引力波探测等一大批前沿基础科学研究，让人们渐渐揭开了宇宙奥秘的一角；三百多年前，人们还在苦苦思索，远洋航行是如何定位的？现在我们已经实现在地球的任何位置，实现米级的定位精度；一百多年前，飞上蓝天还是人们的梦想，今天我们中国已经在太空建立了空间站，让航天员能够生活在太空当中。
人类的这一系列梦想，到底是如何变为现实的呢？其实，在这背后，一直都存在着一个重要的抓手——时间。
时间，和我们的生活息息相关。平时你看，无论我们是和朋友聚会，还是参加重要活动，都会问一句：什么时间呢？
特别是“双十一购物节”，不知道您“剁手”了没有？特别是幸运女神有没有眷顾到大家，让大家秒杀到心仪的商品？反正我是从第一届“双十一购物节”开始不断地秒杀，迄今为止都没有成功过一次。起初我坚信，只要我坚持秒杀，幸运女神总应该眷顾我一次，但一次次失败，我明白，理想是美好的，但现实残酷的。直到我从事了和时间有关的研究工作之后，才让我明白秒杀不成功，问题发生的原因，那就是时间不同步。
每次听我讲过这些故事，很多朋友都会很好奇地问我，到底什么是时间，时间真的存在吗？其实这些问题在哲学的范畴内，每一个人都有自己不同的看法，但是在科学的范畴内，时间就是指，标注事件发生瞬间和持续历程的一个基本物理量，通常它和频率联系在一起统称为时间频率。
它包括时刻和时间间隔两个部分。
比如今天我们下午的报告从14点开始，预计要讲三个小时，这里面14点就是指时刻，三个小时就是指时间间隔。
其实定义时刻很容易理解，我们只要找到任何一个点，都可以作为时间的起点，但是想要找到一个稳定的时间间隔，并让它能够长期不断积累下去，就不是一件容易的事情。
而这里面说的“稳定的时间间隔”就是大家常用到的——秒。
大家知道这“滴答”，一秒钟的时间到底有多长？它是指在海平面上铯133原子基态的两个超精细能级之间，震荡约92亿次，所持续的时间的长度，称为一秒。
时间频率，也是目前人类测量精度最高的一个物理量，比其他的物理量高4——5个量级。而正是由于它极高的测量精度，现在七个国际单位制的基本单位，都直接或间接转换到时间频率的测量上，以期提高他们自身的测量和检验精度，你看现在一米的定义就是指光在真空中传播约三亿分之一秒，所经过路线的长度。
时间精度对于我们来说到底有多重要？我跟大家讲一个小故事，早在2011年的时候，欧洲核子中心就对外公布，他们可能发现了超光速现象，这一发现轰动了整个科学界，因为一旦被证实，我们现代物理学的基石——相对论，将会受到冲击性颠覆，并且也会改变我们人类对整个自然界的认知。
最后经过证实，正是他们实验过程中存在了几十纳秒的时间偏差，才导致了这一乌龙现象。
我们人类现在研究的对象正变得越来越远、越来越小、速度也越来越快，所以对时间精度的要求就变得越来越高，也越来越重要。
以前我们人类还只能通过望远镜观测宇宙，而今天我们中国的天问一号探测器已经能够抵达距地球5，500万公里以外的火星上，近距离的研究火星。
可能有的朋友会纳闷，这和时间有什么关系呢？其实要用到一个公式，那就是：
距离=速度X时间
探测器要抵达火星，首先会被加速到11.2千米/秒的第二次宇宙速度，而在如此长的距离下，如果探测器在地火转移轨道附近有1000米的高度误差，那么它在飞抵火星的时候就会产生10万千米的位置误差，也就是说时间稍有千分之一秒的偏差，那么探测器就不能精确进入到火星轨道，它不仅仅是与火星失之交臂，而是差之千里。
在微观领域，量子物理的出现造就了芯片的诞生，手机电脑等数码产品改变了我们的生活，只有控制在微秒时刻的时间，才有可能让我们更细致地去研究原子、电子这些微观粒子的特性，还包括微生物领域的菌群培养，高分子材料的结构变化，在显微镜下都是瞬息万变的，为了能够记录这微秒的时刻，对于时间精度的要求也是极尽严苛的。
在国防领域，现在咱们最快的洲际弹道导弹，它的飞行速度已经能够达到26马赫，相当于8800米/秒。为了能够精确打击目标，导弹对于时间精度的要求也要达到千分之一秒，稍有0.3秒的偏差，也就是一眨眼的功夫，就会偏离打击目标2.6公里。而作为防御，为了能够精确拦截到这枚导弹，对于时间精度的要求更是要达到万分之一秒。
所以这两个矛与盾之争正是体现了时间的毫厘之争，在信息时代的现代化战争中，精确打击重于大规模杀伤，而实现精确打击的基本手段就是高精度、高准确的时间频率系统，其核心就是原子钟，大家公认，在现代战争中，原子钟甚至比原子弹还重要。
在卫星导航领域，卫星也是通过发射电磁波来测算时间的，电磁波的速度相当于光速，约30万公里/秒，而要将定位的精度控制在米以内，对于时间精度的要求要达到十亿分之一秒，而在无人驾驶领域要求定位的精度能够控制在厘米量级，更是要求时间段精度能够达到百亿分之一秒。
正是这些技术的突飞猛进，让时间的重要性变得越来越高，也越来越重要了。
而传统的以地球自转作为参考的计时标准，就无法满足我们的需求，所以人类需要寻找新的计时标准。
那么随着量子物理的发展，人们发现，原子内部的电子，它在震荡跃迁的时候，吸收和释放发射的电磁波的震荡频率是一个非常稳定的数值，所以人类就把这一特性拿来当成我们现在最新的计时标准。
而这种以原子的震荡跃迁频率作为参考的时间测量装置，我们称之为原子钟，它也可以说是我们人类迄今为止研制出来的测量精度最高的仪器，而我有幸参加了国家授时中心第一台冷原子铯喷泉钟的研制工作，这个钟的精度能够达到3，000万年不差一秒，它的作用就是要产生传说中时间的起点，也就是说所有跟时间有关的设备，最后都要以这台原子钟作为参考来校准时间。
可是想让这么一台原子钟为我们更好的服务，也不是一件容易的事情。
就拿运行环境来说，想让原子为我们所用，首先要为它打造一个极其稳定的环境。
所谓稳定环境相当于1000公里轨道高度外太空中的真空环境，而要到达这样的真空度非常困难，它要求所有的结构连接处无缝隙，材料不能放气，并且由于结构的复杂性，我们还只能通过拧螺钉的方式来组装所有的零件，这可就是一个考验人的艺术。平时拧，我们都是大力出奇迹，只要拧紧就好，但是在原子钟上拧螺钉就完全不是这么一回事了。
首先我们要按照特定的顺序，并不是想拧哪颗就拧哪颗，其次我们还要控制好每一次所有螺钉转过的角度，稍微拧过一点可能就会产生空隙。最后我们还要控制每一次的力量，既要足够温柔，还要足够有力，稍有不慎可能就会前功尽弃，从头再来。
而打造这样的系统，我们至少要拧600多颗螺钉，拧螺钉的动作至少要重复6000次，每一次都要保证四分之一粗细的头发丝的空隙误差不能有。而当时没有经验，我打造的这些系统反复漏气，我几乎认为这是一件不可能完成的任务，但是往往考验人的也正在此时。
尽管我的内心非常的焦虑，但是为了能够打造好这个系统，我还是不断告诫自己要耐心、要自信，无论心里有多么着急，我手上的动作还是一如既往的稳定。因为我知道一旦我失去耐心，想靠速度取胜，那么等待我的就只有失败这一条路，最后可以说我是憋着一股气，才终于完成了这个任务。大家看这就是我打造的真空系统，而为此我花费了整整一年的时间。
还有另一件令我印象深刻的事情是发生在我在研制谐振腔的时候。
我们刚才已经提到了原子钟就是以原子的震荡跃迁频率作为参考的时间测量装置，像原子跃迁这样发生在微观领域的物理现象，我们怎么把它转换到现实世界，并为我们所用？
其实原理特别简单，每一个原子都有很多的能级，这些能级可以看成是原子的家，比如某个原子它有5个能级，相当于它有一个5层楼的家，而原子内部的电子每时每刻会在家中的不同楼层活动，有的时候在1楼、有的时候在5楼，而且这些电子对于不同楼层的喜爱程度也是不同的，比如说某个电子就喜欢在3层和4层区间活动，所以当原子吸收一定特定频率的电磁波的时候，这些电子就可以在3层和4层之间上上下下发生跃迁，这就是原子钟的基本原理。微波谐振腔的作用就是产生一个微波信号去激励原子，当微波信号的频率值和原子的震荡跃迁频率一致时，这些电子就会发生跃迁现象。
所以当我们观察到原子发生了跃迁，我们就可以把这个人为的微波信号当成原子的震荡跃迁频率信号为我们所用，这个就是原子钟的基本原理。
研制微波谐振腔到底困难在哪里呢？微波腔发出的微波信号的频率值是和它的物理尺寸紧密相连的，而你想要控制在铯原子震荡跃迁±1赫兹范围内，对于微波腔尺寸精度的要求控制，至少要达到皮米量级。什么概念？相当于头发丝粗细的十万分之一，而目前我们最高精度的机械加工也只能达到头发丝粗细的五分之一，所以最后我们只能通过世界上最精密的仪器来完成这项任务。
什么东西呢？就是我们的人体。没错，最后我们只能通过用手在砂纸上打磨零件的方式来控制所有零件的尺寸精度。这就好比瑞士最好的手表，都是由钟表大师手工打磨出来的，而不是在流水线上由机器生产的一个道理。
打磨微波腔到底难在哪里呢？我们微波腔它是纯铜的金属材质，所以打磨的难度非常高，而且要打磨这些零件，我们至少要打磨上亿次，换算成时间相当于不吃不睡，连续工作三个月。
而且在打磨的过程中，我们还只能通过经验来控制打磨的速度、力度，有的时候需要快一点，有的时候需要非常轻、非常慢，这些都无法量化，只有通过不断打磨、失败、再打磨才能找到最佳感觉。
而且在打磨的过程中，最困难的是我们没有精密的仪器来测量我们打磨零件的尺寸，其实使用千分尺，我们也只能测到0.01毫米的精度，这远远无法满足我们对于零件尺寸的测量精度的要求，最后我们还只能通过测试信号的方式来确保所有的零件打磨到位。
但是有的时候为了追求那么一丁点的信号性能的提升，我们会想着多打磨一下，但有可能正是这多磨的一下，就会导致零件报废。
零件报废还好说，但是我们打磨零件所花的时间就全白费了。
其实这还不算什么，最困难的是我们在打磨的过程中，遇到那些特别小的或者是中间有孔的零件，我们打磨的时候往往就是手跟零件一起的砂纸上摩擦，零件的厚度下去了，我们手上的皮也磨破了。
可能有的朋友会说你磨破点皮有什么，忍一忍不就过去了吗？确实是磨破点皮没有什么，但是你知道最困难的是什么吗？
大家想象一下，一旦这些小的零件打磨报废，零件当然可以换新的重新再打造，但是我们手上的皮不会立马就长好，所以大家想象那种肉在砂纸上摩擦的感觉，反正至今我都不想再去体验这种疼痛，真的是无法形容。
最后也是抱着能够打造出世界上性能一流的原子钟的信念，我们通过反复的打磨、测试，失败再打磨，才终于完成了这项任务。
虽然过程非常的痛苦，但是也发生了一些非常好玩的事情。比如通过这项工作，让我的手对于厚度有了很强的敏感性，能做到什么程度呢？你拿一副扑克牌给我，从中间抽走几张，我用手一捏就能知道。所以当时我也把这个当成超能力给很多的朋友表演，大家都觉得不可思议，所以你看这就是我们平时的科研生活，痛并快乐着！
很多朋友可能也会纳闷，说你们在做这么精密的原子钟的时候，怎么还需要人来完成拧螺钉、打磨零件的工作呢？难道现在我们的机器还不能代替这样的工作吗？
当然不是，现在我们的机器都可以完成这样的任务，但是它只能帮助我们完成粗线条的任务，因为你永远不可能用一个低精度的工具去制造出世界上最精密的仪器，而最后的精度也只能靠我们人本身这台精密的仪器，去一点儿一点儿地微调，这可能也正是工匠精神的一种体验。
这些困难也只是我们在研制原子钟过程中遇到的冰山一角，通过克服一个又一个的挑战，我们的原子钟终于打造成功了。
大家看，这就是我们打造的原子钟系统，右边的小红点就是铯原子，这里面居住着上亿颗铯原子。
通过这么多年的科研工作和一些行业的交流，也让我个人有了一点体会，因为我发现无论什么样的工作，无论它看上去有多么的尖端，甚至说多么的伟大，其实在它的背后一定都是由无数平凡的、细小的工作所组成，而越是平凡的工作，越需要我们足够付出坚忍、毅力，特别是失败快要击垮我们的时候，一定要告诉自己坚持住，因为你离成功可能已经不远了。
有了原子钟，我们世界上所使用的时间也有了很大的不同，现在我们世界标准时间就是由全球85个守时实验室中的500多台原子钟，每天通过卫星进行比对，就是我们俗称“对表”，比对后由国际上一个名为“国际权重局”的组织，会对所有的数据进行收集，通过算法计算形成自由原子时，这个时间是一个非常稳定，但不一定准确的时间。
世界上还有11台性能最好的基准型原子钟，会对这个时间进行校准，形成既准又稳的国际原子时。国际上还有一个地球自转服务组织，他们会收集来自于全世界的信息，形成基于地球自转的世界时，并以闰秒反馈的方式形成世界协调时，世界协调时就是我们现在人类所使用的世界标准时间，当然它是一个纸面上的时间，国际权重局会把时间反馈给各个国家，每一个国家会根据这个时间来完成各自国家的标准时间的比对工作，并形成可以使用和发播的标准时间信号。
大家知道我们中国的标准时间是什么吗？
就是我们常听到的“北京时间”。
北京时间是什么意思呢？其实北京时间并不是指北京这个地方的时间，而是指北京所在的东八区，也就是东经120°上的时间。
所以你看北京时间和北京的地方时间是完全不同的，而北京时间的产生地则来自于陕西省西安市，来自我所在的单位中国科学院国家授时中心，我们国家的标准时间就是在这个院子里产生的。
刚才说过全世界所使用的时间是由85个守时实验室共同比对产生的，是不是所有的实验室都可以完成这样的工作？当然不是！国际电联要求，只有你们国家的原子钟与世界标准时间的时间偏差小于100纳秒的时候，你才有资格参与世界标准时间的比对工作。
而早在2006年，我们中国与世界标准时间的偏差就进入了30纳秒，经过十几年的努力，现在我们已经进入了5纳秒，而目前全世界只有五个国家能达到这样水平，我们中国就是其中之一。
全世界所有的实验室对于标准之间产生的贡献也是不同的，贡献越大，说明你在这个领域的地位也就越高了。
而截止到2019年，我们中国在世界标准时间产生的贡献排名达到世界第三。
这就是产生我们北京时间的原子钟组，它是亚洲最大、世界第三的守时钟组。
技术的进步，让各行各业对于时间精度的要求变得越来越高，对于原子钟的需求也变得越来越大，除了我参与的基准型原子钟的研制外，我们国家还开展了其他种类原子钟的研制工作。
比如刚才介绍过的守时型原子钟，这类原子钟它们的性能不是最好的，但是却可以长期可靠的运营；还有针对高环境适应性的星载型原子钟，我们国家北斗卫星上用的就是我们国家自研的星载原子钟，它打破了美国GPS对我国卫星导航领域的技术封锁；现在包括万物互联、无人驾驶等新技术的出现，我们国家也开始研制芯片型原子钟，大家看我手上就是一枚芯片型原子钟，这类原子钟它的体积更小，未来也会有更广阔的应用前景。
时间是各行各业发展的基石，是度量现代科学进程最重要的基础保障。时间的高精准表达，让我们从微观的原子震荡跃迁规律中去寻找和探索宇宙奥秘的解决之道。
从微观到宏观，我相信还有很多共性的规律值得我们去寻找、发现，我们也还有很多的愿景要去实现。
对我而言，时间也是一种声音，古人先贤制定历法、节气，探索自然，通过日晷、沙漏测量时间，今天时间精度的提升，为我们更深层次去探索大到宏观的宇宙、小到微观的细胞、快如闪电的瞬间提供了强大的支持。
我相信我们探索自然的步伐会迈得更深远，也更宽广。
谢谢大家，我是陈江，一名时间的守护者。
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责任编辑：梁斌 SF055
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