作者:肖伟刚 来源: 中国科学报 发布时间:2021-1-14
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“国家标准时间”专业表述的背后

 

■肖伟刚

在很多科学文献和相关业务活动中,我们常常会看到国家标准时间、国际标准时间这样的表述,这二者有何区别呢?实质上来说,国家标准时间是时间概念的社会性体现,是国际标准时间的国家区域化及实际体现,是通用体制下的技术实现。在相关业务活动中,特别需要对二者有清晰的、立体的认知,否则就会产生一些关联性概念的理解误区,笔者特撰文对此给予解析。

国家标准时间从何而来

时间是物质存在的基本形式,建立在物质运动和变化的基础上,用于表征事物变化顺序,是人类描述世界使用的一个基本物理量。

与其他物理量不同的是,时间是一个一直处于动态之中的物理量,包含“时间间隔”和“时空基准对齐(即起始点对准)”两个内核要素,即秒长和时刻。前者对应周期现象,为了测量和标记;后者对应人类适应于日升日落的节奏(因地球自转),为了相位对应。

因此,从认知范围看,时间的定义和标准高于测量活动本身。基于更稳定周期现象而研制(原子能级跃迁辐射周期)的原子钟成为了符合现代“秒长”定义的标准计时手段。目前,国际标准时间是协调世界时(UTC),由设在法国的国际权度局综合全世界各守时实验室原子钟数据产生的“秒长”,每月汇算平均上月数据,在纳秒级实现统一;UTC在时刻上要求向世界时(来源于基于地球自转的天文观测,也称天文时)靠拢,误差不超过0.9秒。原子时是守住“秒长”,世界时是对准符合正确起点的“时刻”。其中,世界时所采用的周期现象是日(地球自转一圈),人眼看到了一次日升天亮,一日被86400分割,就得到了世界时基本单位秒的定义。地球自转观测需要全球参与,修正地球极点变化后的世界时称为UT1。国际地球自转参考服务组织(IERS)负责处理全世界合作台站的多种观测数据,获得UT1,由法国和美国不定期通过互联网向全球播报。

国家作为政治性、民族性、区域性组织的存在,“国家标准时间”应运而生。一个土地辽阔的大国,需要独立自主的标准时间服务体系,即“国家钟”及其对表系统。周期和频率是倒数关系,时间信号实质上是以频率信号的处理为基础的,越精准越稳定越好,大地测量、空间探测和航天发射等活动甚至需要实时的世界时测量和预报,故西方发达国家都有独立自主的世界时UT1观测能力。国际标准时间是理论上的统一要求,国家标准时间是实操性的,体现了技术把控能力,甚至能操控全球,比如美国海军天文台等。

我国国家标准时间的产生、保持和发布,一直由中国科学院负责。在新中国建立初期,上海天文台基于天文观测和世界协调就建立了我国独立的世界时基准,后来交由陕西天文台(国家授时中心前身)负责,顺利实现了由天文时向原子时的守时过渡。自上世纪七十年代建成的以综合原子时为基准的长短波授时系统一直发播标准时频码,在此基础上迄今已建立了多种精度的全国性的立体授时网络体系。1988年国务院法制局专门召开了国家时频与标准管理协调会,确定中科院继续负责我国协调世界时UTC和国家标准时间的授时工作。目前,国家授时中心保持的协调世界时UTC(NTSC)的综合性能在国际80多个守时实验室中位居前四,对国际协调世界时贡献的权重排名前三,北斗卫星和交通部海岸电台均溯源至UTC(NTSC),发布《时间频率公报》,已有41年历史,被美国国会图书馆、法国国防部、牛津大学等国际知名机构收录,具有一定的国际影响。

多角度思考国家标准时间的管理

1.从计量行政管理角度

计量是指用一个规定的标准已知量,如长度、重量、温度、压力、电流等,和同一类型的未知量相比较而加以测定。从学术意义上看,可数量化的都是可计量的,但国家计量管理是政府的社会治理行为,为了推行市场经济和社会生活中的统一标准,为建立公正公平秩序服务,《中华人民共和国计量法》规定了计量基准器具及相关计量检定标准的监督管理。

由于时间与其他基本物理量(如质量、长度)不同,是一个变化态的物理量,“秒”是计量单位,而“时刻”不属于计量管理范畴。《中国人民共和国国家计量基准目录》规定了两项产生秒长的时间频率基准装置。

计量部门语境下的“时间计量”指的是“时间频率基准信号(秒长)测量”,但易被解读为标准时间值的全面测量技术;常见到计量科技进展报告中有“建立健全了我国时间量值溯源体系”的表述,也属于不严谨,说大了,应当是“建立健全了时间基准(秒长)量值溯源体系”。作为守时基准设备的国产磁选态和激光抽运铯原子钟正逐步打破进口依赖,其他新型原子钟和光钟也在大力研发,原子时“秒长”技术已建成了体系,但我国自主的UT1测量技术很薄弱,所以根本谈不上建立健全了时间量值溯源体系。与此相类似,如坐标系就不属于计量管理的范畴,只有坐标系的长度单位“米”属于计量的范畴。

计量即测量,可针对一切可量化的测量技术,大到宇宙天体观测,小到微生物学化学反应观测,快到高密度等离子体的诊断。但学术用词和管理用词,其落脚点不同。国际权度局也译为“国际计量局”,对时频“计量”管理只是事后取优采数计算形成滞后的“纸面时”,提供参考。要透过现象看本质,不能只看字面。

2.从法律法规制度角度

“国家标准时间较乱,我国急需立法专门管理国家标准时间”,这是一个伪命题。立法是政府行为,国家治理中为了保护什么、限制什么、促进什么,要面向问题进行。标准时间的基准信号是国际统一且标准公认,定义和体制明确,其产生和服务的技术规范(换算因数、数据结构、溯源技术要求等)都已经明确,时间超越了繁文缛节,因为时间服务信号直达用户。物理层面,国家标准时间服务需要专门性专业性授权性的重大科技基础设施系统装置。总之,市场的归市场(时频设备),政府的归政府(实验室的职能范围和重大设施建设的审核)。

相类似,世界上产品交换硬通货基准的国家区域化体现就是国家货币,有专门的“国家标准货币(人民币)管理条例”吗?显然这是概念误用,国家标准时间并不乱,是守时实验室定位乱,是守时实验室无序扩张和政府相关授权协调性缺失导致的。

若说立法有必要,需要管理的不是国家标准时间,而是同步定时应用方面的信号采用来源、基础设施管理的安全法规。例如,一些重点领域仍以GPS导航授时为主,存在重大的安全隐患。2010年1月,我国采用GPS授时的通信基站,由于GPS升级,其授时功能受到影响,导致我国沿海多个省份的CDMA网络出现大量告警。

3.从国际报数的角度

国际比对是促进全球合作形成“纸面时”的机制,有积极意义,但也带来一些混淆说法。例如,“我国的国家标准时间还没有定义”,这又是表达偏颇。地球人标准时间只有一个,各国只是打造持续精近靠近它的技术能力而已,定义早已明确。或许想说“体现我国标准时间的时频基准信号不止在一个地方产生,如今需要重新明确”。这是由于国内原子守时实验室的发展很快,且多家向国际权度局报数,获得备案本地UTC(K),但这个表征是虚拟性的。国际权度局主要看数据水准,备案并非完全等同于一个国家标准时间服务资格的本土认定。关键是长期稳定性并符合极低的误差值,多数的守时实验室由于连续稳定性不好,实际上当月当时采数时会剔除掉信号不稳者,实质上驾驭国际原子时的主体还是美、俄、法、德等发达国家。

近几十年来,精密电子、激光频谱技术的迅速发展,推动了我国的时频计量技术的发展,小铯钟、大铯钟、喷泉钟、光钟等能直接复现秒定义的实验装置在多家守时实验室试验,常见有“保有本地原子时”“守时实验室参与了驾驭国际原子时”之类描述,这并不科学。“本地”的原意是指国家行政的大片区,但实际上守时实验室未必形成了符合国标的守时能力,参与国际比对不等于驾驭国际原子时,“拥有地方(独立)原子时的保持能力”指的是有高稳定性连续性不中断且不依赖他方比对校准能力的实验室。

面对标准时间,我们需要“知其然,更知其所以然”,拨清云雾,防止走偏。

《中国科学报》 (2021-01-14 第5版 文化周刊)
 
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