一國鐘匠張首剛

編者按：陽春三月，古城長安已不再春寒料峭。中國科學院大學（以下簡稱“國科大”）記者團前往陜西省西安市臨潼區采訪了33位“時間守護者”。在驪山腳下，華清池旁，我們探訪了“北京時間”產生的地方——中國科學院國家授時中心（以下簡稱“國家授時中心”）。

中國科學院國家授時中心前身是中國科學院陜西天文臺。1966年，在大規模經濟建設和國防戰備的需求下，經國家科委批準，由中國科學院抓總，在陜西省渭南市蒲城縣籌建陜西天文臺，代號326工程，后來成為我國唯一專門、全面從事時間頻率基礎研究和技術研發的科研機構。

也是在那一年，張首剛出生于陜西咸陽。

2005年，張首剛只身來到國家授時中心，從零開始創建量子頻標研究室。如今，他是國科大博士生導師，中國科學院西安分院院長，國家授時中心主任、首席科學家，時間頻率領域國內首位“杰青”。

“國家利益在什么地方拓展，我們的授時信號就服務到什么地方，為不同空間、不同狀態的用戶提供安全、可靠、高性能的國家標準時間。”張首剛說。

文??陳文煥

張首剛的辦公室，要么很熱鬧，要么很安靜。

熱鬧時，他在辦公室里開線上會議，門口找他簽字、匯報工作、輔導學術論文的人排起長隊；安靜時，往往已到亥時——大家結束一天的勞作準備休息的時辰。而此時，張首剛又開始了新一輪工作：回復白天沒來得及處理的郵件、閱批公文、研究實驗數據……

大家開玩笑說，在科研樓里，保安走得最晚，張首剛次之。

不過也有例外。張首剛有時連續去多個地方出差，從西安到北京，從北京到合肥，從合肥到海南，從海南到鄭州，再從鄭州返回西安，完成這趟閉環耗時兩三天。

若是查閱他的機票，便會發現他經常乘坐最早或最晚的航班。午飯也常常在車上解決，一個面包、一盒牛奶，串起了在陜西省政府和中國科學院西安分院的兩場會議。

在采訪前一天晚上，張首剛才下飛機。在他回到國家授時中心時，路燈暖黃的光映到單位正門旁邊的鐘盤上。時針稍過“10”，秒針片刻不停地一圈圈勻速轉動。同樣片刻不停的，還有科研樓一層不斷閃爍的數字時鐘。眼睛一眨，數字增加了幾個，幾秒便悄然溜走，讓人不由感嘆時間流于無形。

張首剛快步走上二樓，打開了辦公室的燈。

他又開始“上班”了。

時間的產生

“嘀，嘀，嘀，北京時間7點整。”整點報時的聲音回蕩在國家授時中心整個園區。

這時，張首剛從5個多小時的睡眠中醒來。如同已經過去的19年一樣，步行約5分鐘后坐到辦公室的椅子上。沒過多久，他的辦公室又熱鬧起來。

辦公室里的他們腳步匆忙，神情專注。他們討論的問題指向一個關鍵詞：時間。

北京時間，是我國的國家標準時間。雖然名為“北京時間”，但實際上國家標準時間產自西安。在陜西省西安市臨潼區書院東路3號，國家授時中心臨潼本部，時間頻率信號24個小時不間斷地產生，經由蒲城授時部等通過不同技術手段發往全國各地。

那么，時間是如何產生的？張首剛團隊的工作回答了這個問題。

早在三千多年前，祖先就已經用“干支”的方法紀日了。用干支紀年大約始于東漢初期，此后從未間斷。時至2024年，我們也會稱其為“甲辰”龍年。這樣的天文歷法，是基于天體轉動，“日”為地球自轉運動的晝夜周期，“月”為月球繞地球公轉的朔望周期，而“年”為地球繞日公轉的四季周期。

世界時（Universal Time, UT）便是以地球自轉為基礎，以太陽作為參照點來確定時間尺度。然而，地球自轉速率受月亮等其他天體攝動等諸多因素的影響，不均勻，因而以世界時確定的秒長在不斷變化。

由于世界時的不穩定性，全世界的標準時間都包括兩種時間計量系統，一個是基于天文測量的世界時，用以提供與地球自轉相匹配的時刻；另一個是基于原子鐘測量的原子時，原子內部量子躍遷的頻率有極高的穩定性，因而用于確定穩定的時間間隔。

為兼顧對世界時時刻和原子時秒長的應用需要，1972年，“協調世界時”被提出并作為國際標準時間，采用原子時的秒長，通過閏秒補齊“協調世界時”與“世界時”的時刻差，在時刻上盡量逼近世界時的時間尺度。

然而，在確定、保持了時間尺度后，還需要通過一定方式把這種尺度的時間信息傳送出去，供人們使用，即“授時”，也稱“時間服務”。在時間發布之后，還需嚴密監測和控制。信號傳播路徑物理環境的細微變化都會對時間精度產生影響。

這一系列的工作，被總結為一條完整的時間頻率學科鏈：時間的產生、守時、授時、用時。在此基礎上，張首剛的工作是發展國家時間頻率體系，這一體系需要在任何時間，為任何空間、任何狀態的用戶提供自主可控的、安全可靠的、高性能的國家標準時間。這不僅要求著測量世界時的新手段、研制新型原子鐘；還需不斷提升發展新的授時技術和授時系統。

與時間的不解之緣

張首剛說，自己是被推著走上時間研究之路的。

高考填報志愿，是張首剛的班主任幫他填的，班主任教的是物理，所以就填報了“物理學”專業；本科畢業時，恰逢陜西天文臺的原子鐘專家在學校招考從事原子鐘研究的學生，物理老師推薦了他；碩士畢業工作后，“中國光學之父”王大珩為張首剛寫推薦信去北京大學讀博，結果他沒考好；在諾貝爾物理學獎頒發給從事激光冷卻氣體原子研究的朱棣文、威廉·菲利普斯（William Phillips）和科昂·塔努吉（Cohen Tanhoudji）后，張首剛所在的課題組及時變更課題任務書，改為研制噴泉鐘，張首剛便被派往法國學習噴泉鐘技術。

1993年，張首剛被錄取至陜西天文臺，國家授時中心的前身。那年陜西天文臺一共招了3個碩士生。因為陜西天文臺教學條件不足，學生在北京大學上課。閑暇的時候，張首剛就在原北京大學常務副校長王義遒的實驗室里，在楊東海教授指導下學習原子鐘研制技術。

他第一次見到原子鐘時，感到十分意外。掛鐘也好、擺鐘也罷，都有鐘表的形狀，而立在他面前的氫鐘，分明是個“實驗裝置”，怎么看都不像個“鐘”。

只是，他隱約感到研制原子鐘這項工作的重要性。

1969年，周恩來總理提出丟掉“洋拐棍”、建立中國“原子時”的決策。

1970年，《關于我院陜西天文臺（326工程）時間頻率試播的請示報告》被遞交至國務院業務組，報告中寫道：我院在陜西蒲城地區建立了一個新的標準時間、緯度備戰臺（對外名稱定為陜西天文臺），其主要任務是：平時與上海天文臺相互配合，提高時間頻率發播的精度，滿足我國西部地區的使用要求，戰時在緊急情況下，代替上海天文臺的時間頻率發播工作。

周恩來總理親自批示短波授時臺試播，“從1971年1月1日起正式公開啟用”。張首剛回憶，他的研究生導師舉家遷到陜西天文臺。“舉家遷過來，并且都給安排工作，可見原子鐘研制的重要性。”張首剛說，“重要性是一方面，另一方面是有沒有研究的興趣。這其中原子要經過分子離解、原子選態、量子，說實話，我一點也聽不懂。”

從完全聽不懂，到在巴黎天文臺用法語完成博士畢業答辯，張首剛說，他比一般人能多吃點苦。

生于陜西咸陽的農村，張首剛從初二開始，年年寒暑假，便在工廠打工，安裝機器、拆房修房，在自由市場里一住就是兩個禮拜，賣菜。高中的一個暑假，他給50余名農民工做飯。“現在我也偶爾做飯，我閨女的口味跟我一樣，現在也要吃我拌的面。”張首剛難掩得意。

張首剛從小就對動手實踐很有興趣。他好奇鎖怎么能打開，就砸開看；他覺得電話傳聲有意思，就拆開電話機，把線圈和磁鐵取下來，加個天線嘗試做收音機。中學的物理老師經常讓張首剛起立回答問題，張首剛轉學后，物理老師還不自覺地讓張首剛回答問題，才后知后覺張首剛已經不在班里了。有一次，老師在黑板上出了兩個難題。很多同學一個題也做不出來，老師以為張首剛能把兩道題都做出來。可是看到答卷后，老師詫異他怎么只做出了一道。張首剛老實地說：“其實那天我沒戴眼鏡，看不清黑板上的題，我問旁邊的同學第一題的題目，又不好意思總問人家，就把第二題空著了。”

在法國讀博期間，張首剛的主要工作是改進世界上第一臺銫原子噴泉鐘，法國的時間頻率基準鐘——該鐘的性能居世界領先地位。完成畢業答辯后，張首剛準備回國。他在法國的導師不解張首剛的選擇：既然已經做了世界上最好的噴泉鐘，為什么要回國做重復工作？張首剛回答道：“因為我的祖國需要！”

那邊需要你

祖國需要張首剛，國家授時中心需要張首剛。

2005年3月，張首剛離開北京，離開妻子和女兒，第一次來到國家授時中心總部臨潼。

從零開始創建量子頻標研究室，缺人才、缺經費，是張首剛首先面臨的問題。那時，全陜西還沒有學冷原子理論和技術的人。大門口的道路泥濘不堪，實驗室里空無一物，甚至電鉆都是“繼承”退休老同志的。張首剛帶領團隊到處申請課題經費，一年進行了16場答辯。三五年過去，到了張首剛原先預期回京的時間，可他卻離不開這里了：“不是說你想走就走了，搭一個攤不容易，你的實驗室、帶的隊伍都在這兒。”

一晃就是19年——張首剛和妻子兩地分居的年數。張首剛感謝自己的家庭：父輩老人身體健康，孩子的學習也沒讓他操心，妻子給了他足夠的時間和空間投身科研。

國家授時中心不止需要張首剛。在國家授時中心官網首頁上，有一欄是“主任致辭”。在那里，張首剛寫道：近年來，國家授時中心實施“凝練科技目標，提高創新能力，穩定和用好現有人才，培養和吸引青年優秀人才，以項目帶動人才培養”的戰略。張首剛也在盡自己所能吸引、培育國家授時中心需要的人。

張輝是張首剛的博士研究生，2023年剛剛畢業。談起導師，張輝很感激張首剛對他生活上的關心。“張老師知道我是從農村出來的學生，他總會在交流完學術之后說，如果家里有什么困難，一定要告訴他，不要不好意思。”洪輝博也是張首剛帶領的量子頻標研究室的學生之一。一次，他和張首剛在科研主樓迎面遇到：“我不知道張老師從哪里知道的我的胃不太好，他問我需不需要幫助，不管是物質上的幫助還是尋找醫生。”

在引進人才時，考量對人才今后發展的幫助，是張首剛內心常惦記的事。他希望給想干一些事的年輕人做大事的平臺，為他們的今后發展鋪路。

擺在張首剛面前的問題，還有研究方向與內容。在時間頻率領域，已經有了北京大學、清華大學的科研團隊，還有中國科學院上海天文臺、中國科學院上海光學精密機械研究所、中國科學院精密測量科學與技術創新研究院、中國計量科學研究院等優秀團隊，那么國家授時中心需要研究什么，國家授時中心能夠發揮的獨特作用又在哪兒？

“對于原子鐘的研究，我必須另辟蹊徑。把你逼得去創新，你要做得跟別人不一樣，你要做得比別人更好。”張首剛說。

欽若昊天，敬授人時

2010年，張首剛率先提出建設高精度地基授時系統，構建天地一體彈性國家授時體系架構。“國家授時中心授時設施在全國是分散的，我們也有一定的抗打擊能力。為什么說是‘彈性’？”張首剛說，“就是你把我打擊了后，我有強的‘肌肉’，能自我恢復，局部被打殘了不會影響整體運行。”

如果仔細觀察，便會發現國家授時中心園區內客座公寓前的綠化帶、科研樓電梯旁的樓層指示牌，隨處可見“欽若昊天，敬授人時”這8個字。

《尚書·堯典》有言，“乃命羲和，欽若昊天，歷象日月星辰，敬授人時。”古人嚴謹地遵循天數，推算日月星辰運行的規律，制定出歷法，把天時節令告訴人們，指導農耕之需。

如今，時間的概念由最初認識的“日、月、年”，逐步細分到“日”之下的“時、刻、分、秒”，隨著現代社會的發展，在“秒”之下更是細分出了“毫秒、微秒、納秒、皮秒、阿秒、仄秒”等精密時間。授時技術，也由最初的雞人報時、打更報時和鐘鼓報時等，發展為無線電授時、互聯網授時、專用光纖授時和衛星授時等。

“欽若昊天，敬授人時”的內涵，在與時俱進，也正為“時間守護者”們不斷提出新的要求。

僅僅是產生時間、測準時間還不夠，還要未雨綢繆，構建全方位、多手段、多層次的彈性授時體系，支撐國家發展。

國家在什么空間需要時間信號，他們就要把時間信號延伸到哪里去。國家利益在什么地方拓展，他們就要在什么地方發播國家的授時信號。

“關于世界時測量，上世紀六七十年代我們國家做了很優秀的工作，后來因為國際上發展了新技術，我們輕信了國際聯測，放棄了新技術的發展。”張首剛回憶，“在幾次重要的航天任務和軍事活動中，我們無法下載數據，所以必須自主去測量。”

在“時間守護者”們的共同努力下，漸漸地，時間被中國人掌握在自己手里。通過系列新型原子鐘、世界時測量系統以及新的授時系統的研制應用，中國的時間頻率系統逐步實現了自主可控，且性能先進。2023年，北京時間準確度位居國際第二，中長期穩定度位居國際第二，對國際標準時間產生的貢獻權重位居國際第三。北京時間影響著全世界的時間。

國家授時中心產生并授時發播的時間頻率信號，仿佛國家的心臟時刻跳動，被應用至多個領域：電力、通信、金融、交通、測繪、公安、衛星導航、深空探測、防震減災、廣播電視、科學研究……每時每刻都在支撐著社會經濟運行、國防建設和國家安全。

張首剛常說，時間研究是值得一輩子做的工作。目前，人類對時間的認識，從宇宙的年齡1018秒，到Z0粒子的壽命10-25秒，跨越了44級“臺階”。而對國家授時中心的“時間守護者”們來說，這條時間的長梯沒有盡頭，對精密時間的探索永無止境。

(作者系國科大記者團成員

攝影/甘涵臣 部分圖片來自受訪者)