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，去寻找到探索宇宙奥秘的解决之道。
今天时间精度的提升，为我们从更深层次地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。
陈江
中国科学院国家授时中心 副研究员
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，远洋航行中如何定位？现在我们已经能够实现在地球上的任何位置，达到米级的定位精度；
一百多年前，飞上蓝天还是人们的梦想，今天我们中国，已经在太空中建立了空间站，让航天员能够生活在太空当中。
人类的这一系列的梦想，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，那就是时间。
很多朋友都会很好奇地问我，到底什么是时间呢？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的瞬时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。
它也包括时刻和时间间隔两部分。比如，今天我们下午的报告就是从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地积累下去，就不是一件容易的事情了。
大家知道，“滴答”一下，这一秒钟的时间，到底有多长呢？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。
时间频率也是目前我们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，都直接或间接地转换到了时间的频率的测量上。比如现在“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。
那么时间精度，对于我们来说到底有多重要呢？
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，那么我们现代物理学的基石~相对论，将会受到冲击性的颠覆。最后经过证实，正是他们的实验过程中，存在了几十纳秒的时间偏差，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远距离地观测宇宙，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。这和时间有什么关系呢？
其实这要用到大家都学过的一个公式：
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/秒的第二宇宙速度上，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地进入到火星轨道；
在微观领域，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像原子、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，也就是我们一眨眼的功夫，就会偏离打击目标2.6公里。而作为防御，为了能够精确地拦截到这枚导弹，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，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，更是要求时间的精度能够达到百亿分之一秒。
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了。
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。
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。
可是想让这么一台原子钟，为我们更好地服务，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，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了。
平时拧螺钉，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去拧，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拧螺钉的力量，这么说吧，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，以上拧螺钉的动作，至少要重复6000次，每一次都要保证1/4根粗细的头发丝的空隙误差不能有。
而当时没有经验，我打造的这个系统反复漏气，我几乎认为这是一件不可能完成的任务了，但是往往考验人的也正在此时。尽管我的内心非常的焦虑，我还是不断地告诫自己，要耐心、要仔细，无论心里有多么着急，我手上的动作还是一如既往地稳定，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，而为此我花费了快整整一年的时间。
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，那么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，并为我们所用呢？
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，你比如某个原子它有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，它就喜欢在3层和4层之间活动。所以当原子吸收一定特定频率的电磁波的时候，这些电子就可以在这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，当这个微波信号的频率值，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。
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的±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，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。
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。
那么打磨这个微波腔到底难在哪里呢？我们这个微波腔，它是这种纯铜的金属材质，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。
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、重一点，有的时候需要非常非常轻，非常非常慢。这些都无法量化，只有通过不断地打磨、失败、再打磨，才能找到最佳感觉。
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，即使使用千分尺，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在砂纸上摩擦，零件的厚度下去了，我们手上的皮也磨破了。
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磨，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。
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？
比如你拿一副扑克牌给我，你从中间抽走几张，我用手一捏就能知道。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。
听完这两个故事，很多朋友可能也会纳闷，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、打磨零件这样的工作呢？
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调的任务，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吧。
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，而右边的那个小红点就是我们的铯原子，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得尖端，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。
现在我们世界标准时间，就是由全球85个守时实验室中的五百多台原子钟，每天通过卫星进行比对，就是我们俗称“对表”的意思。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。世界上还有十一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；
这个世界协调时就是我们现在人类所使用的世界标准时间，国际权重局会把这个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？
“现在是北京时间的早上8点”
“北京时间早上6点”
“北京时间……”
没错，就是我们常听到的——北京时间
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°经线上的时间。
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，那是不是所有的实验室都可以完成这样的工作呢？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。
不仅如此，全世界所有的实验室对于标准时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，而截止到2019年，我们中国在世界标准时间产生的贡献的排名，达到了世界第三。
大家看，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。
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。大家看我手上这枚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，去寻找到探索宇宙奥秘的解决之道。
从微观到宏观，相信我们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，为我们从更深层次地去探索，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。