時間的故事——時間科學館的緣起與建設

陳琳 竇忠 劉永鑫

摘 要 時間科學館由中國科學院國家授時中心設計建設，是我國首個以時間科學為主題的專業科技博物館，致力于向全社會普及時間科學知識，展示古今中外測時、計時、授時、用時技術的演進過程，介紹新中國時間科學工作的發展歷程及前沿成果，在增強文化自信、提升公民科學素質方面發揮著重要作用。

關鍵詞 時間科學 博物館 科學普及

1 源起

在古代，人們很早就意識到時間的重要性，從“立竿見影，視影知時”的圭表，到“燒燭知夜，刻燭驗更”的香鐘、“孔壺為漏，浮箭為刻”的漏刻，再到“弦輪密運，機巧精妙”的水運儀象臺，并以“打更報時，晨鐘暮鼓”的方式告知眾人。此外，還通過“立表驗氣”“揆日測向”“窺測七政”“制定歷法”等，指導農業生產，規范社會治理，方便百姓生活。中國近代實業家張謇曾說過：“覘古今之變遷，驗文明之進退，秉微知巨，亦可見矣?！比裟軐χ袊糯鷷r間科學工作進行系統梳理，重現歷代人民的測時、計時、授時、用時技術，必將是一件非常有意義的工作，有助于以小見大了解中國科學技術的發展，提振國人的文化自覺和文化自信。

在現代，時間是表征物質運動的基本物理量之一。它既是一個天文學概念，也是一個物理學概念。我國現代時間科學工作可追溯至建國之初的上海徐家匯觀象臺，而全國性的授時服務則始于1966年成立的陜西天文臺。其間，我們積累了大量具有代表性、典型性的實物和史料，見證了新中國授時工作從無到有、從落后到超越的歷程，以及幾代授時人披荊斬棘、風雨兼程的努力。由于年代久遠，不少儀器和檔案存在流失、破損等情況，亟需收集保護以備后人研究借鑒。若能對這些珍貴文物進行現場展示，不僅可以開展數學、物理和天文等學科的科學教育，而且可以開展愛國主義教育，學習老一輩科學家淡泊名利、甘于清貧、無私奉獻、科技報國的精神。

2 建設

為積極響應并貫徹落實習近平總書記關于“科技創新、科學普及是實現創新發展的兩翼，要把科學普及放在與科技創新同等重要的位置”的重要論述，充分發揮科研機構在科學普及方面的示范引領作用，由中國科學院國家授時中心設計建設的時間科學館于2016年10月在陜西西安落成開放。

如何讓時間科學惠及更多人群？建立一個以時間科學為主題的博物館無疑是個有效的做法。2001年，經國家批準，中國科學院下屬陜西天文臺更名為國家授時中心。于是，劉次沅、竇忠等幾位主創人員就萌生了建立“時間科學館”的想法，開始整理文獻資料，嘗試撰寫展陳方案。在2015年中國科學院天文科普聯盟正定會議上，“時間科學館”項目獲得了部分資金支持。同年，為迎接國家授時中心成立五十周年，我們決定正式啟動“時間科學館”項目，著手挑選館址及征集藏品、制作展項的工作。在展陳方案初步確定后，先后召開了4次專題研討會，邀請國內外同行獻計獻策。遵循“科學嚴謹、突出特色、展現歷史、展望未來”的基本原則，確定了“獨一無二、耳目一新”的預期目標。

值得注意的是，時間科學館的占地面積約1 000 m2，總投資達500萬元，單方造價僅為5 000元。這在博物館建造工程中實屬罕見，如此低廉的成本當然與主創團隊的精打細算密不可分，但也得益于自提議到竣工十余年的集體構思和醞釀。針對場館的建筑設計，我們動了很多腦筋。利用現有場地空間，將實驗工廠加以改造，搭建二層鋼結構館舍，并局部加高、地下深挖，以保證特殊展項的展示效果。此外，還合理規劃了放映室和臨展廳，以豐富展示內容。

3 展示

陳列展覽的內容與形式無疑是博物館設計成敗的關鍵。于是經過再三討論，我們立足展項組合，反復推敲科學邏輯與藝術設計。根據時間科學的固有屬性和特點，結合建筑結構與功能設置，時間科學館分為如下五個區域：“感知時間”“計時技術的演進”“授時技術的發展”“精密時間的應用”“國家授時中心的發展歷程”。

3.1 感知時間

步入時間科學館，猶如走進知識的殿堂。在“感知時間”板塊，運用系統陳列法，從天文屬性與物理屬性出發，由大及小，由遠及近，闡釋了時間的基本概念。

入口處設有一面“電波鐘表墻”。鐘表雖是人們司空見慣的生活用品，但墻上的鐘表卻與眾不同。它們是自動校準的電波鐘表，可以接收國家授時中心商丘低頻時碼發播臺的信號。讓觀眾領悟到隨手可得的時間原來并不簡單，這里不是鐘表博物館，而是處處帶有科技烙印的時間科普場館。

時間是一條長河，從遠古流向未來。時間是空氣和水，滋養著現代文明。時間是一種文字，書寫著數字化的地球。如果說“電波鐘表墻”展示的是律動的時間，那么“時間的年輪”展示的就是凝固的時間。如圖1所示，樹樁上一圈圈的同心圓、蟹狀星云中彌散開來的氣體和塵埃都象征著千百年尺度的時間印跡。該展項以照壁的形式，既起到了指引參觀路線的作用，又分割了空間，避免一覽無遺。

[圖1 “時間的年輪”展項]<O：＼Macfile-f＼CY＼2019年＼科學教育與博物館＼2019-2＼陳琳-圖1.tif>

然后，映入眼簾的是“大時間尺度”。所謂大尺度時間，是指發生在過去很久、很遙遠事件的時間，包括宇宙年代、地質年代和歷史年代。我們用科學方法將不易感知的大時間尺度變為可感知的時間尺度，把宇宙的歷史按比例放在一年中，發現人類文明的出現只是這一年中最后一個月的最后一天的最后十秒！接下來，把目光聚焦到我們的祖國——中國的歷史年代。其中，最引人注目的莫過于夏商周斷代工程，這是一個多學科交叉聯合攻關的系統工程，依靠自然科學與人文社會科學相結合來研究夏、商、周三個歷史時期的年代學問題。根據有關天文現象和歷法記錄進行計算推定，國家授時中心取得了兩大標志性成果——武王伐紂的時間（公元前1046年）、懿王元年的時間（公元前899年），為研究中國古代文明的脈絡給出了一個時間上的標尺。

一方面，人類不斷拓展對大尺度時間的認識，另一方面，社會對時間細分的需求越來越迫切，這就產生了精密時間。對此，我們借助生動的圖表形式，化繁為簡，演繹了關于時間的內涵及外延。事實上，時間頻率是目前所有物理量中實現測量精度最高的。時間包括時刻和時間間隔兩個要素。如圖2所示，“時間的44級臺階”羅列了時間單位（如世紀、年、月、日、時、分、秒、毫秒、微妙、納秒、皮秒、飛秒等）與事件（如古樹的年齡、人類的壽命、地球公轉的周期、月球公轉的周期、地球自轉的周期、中子的壽命、市電的周期、超快速攝影的曝光時間、介子的壽命、超子的壽命、共振態的壽命、粒子的壽命等）的關聯。

最后的點睛之筆是位于展廳中央、跨越樓層的傅科擺（見圖3）。在周期性擺動的過程中，擺動平面沿著順時針方向緩緩轉動，這種擺動方向的變化是由于觀察者所在的地球轉動的結果，從而有力地證明了地球由西向東的自轉。這一展項在動靜之間，為整個博物館增添了幾分活潑，令人直觀地感受到時間的節奏。

[圖3 傅科擺]<O：＼Macfile-f＼CY＼2019年＼科學教育與博物館＼2019-2＼陳琳-圖3.tif>

3.2 計時技術的演進

在“計時技術的演進”板塊，秉承“統一中求變化，變化中求統一”的理念，運用對比陳列法，賦予單個展項科學、歷史和哲學的價值，比較分析了計時儀器在不同時期、不同類型、不同地區之間的區別與聯系。

古人最早觀察到的天文現象是太陽的東升西落，這種周期性的日夜交替帶給人類關于時間的概念。然而由于太陽是一個光芒耀眼的天體，難以直接觀測。我們憑借長期的實踐發現，物體在陽光下會出現影子，這些影子的位置與太陽在天空中的位置一一對應。于是，太陽鐘便應運而生。世界上最古老的天文計時儀器是圭表，后來演化為日晷，其利用太陽投影的長短和方向來劃分季節、測定時刻。人類使用日晷的歷史非常久遠，早在五千年前的古巴比倫就開始了。日晷不但能顯示一天之內的時刻，還能顯示節氣和月份。當然它的缺點也是顯而易見的，那就是十分笨重，并且看不到陽光的時候便不能用，比如陰天和晚上。如圖4所示，日晷由銅制的指針（晷針）和石制的圓盤（晷面）組成，按照晷面的擺放角度，一般可分為地平式、垂直式、赤道式三類。

如圖5所示，水運儀象臺是世界上最古老的天文鐘，由北宋蘇頌主持、韓公廉等設計。這一劃時代的創造集歷代天文儀器之大成，以水為動力運轉，分為上、中、下三層：上層是渾儀，用于觀測星空;中層是渾象，用于演示天象;下層是司辰，用于計量時間、報告時刻。值得注意的是，水運儀象臺中首創的擒縱機構是后世機械鐘表的關鍵部件，它是一種傳遞能量的開關裝置。顧名思義，乃一擒，一縱;一收，一放;一開，一關。與水運儀象臺緊鄰的是同樣采用擒縱機構的擺鐘，由荷蘭天科學家克里斯蒂安·惠更斯發明，但在時間上卻晚了600多年。如果說靠水力驅動的水運儀象臺是現代鐘表的祖先，那么靠重力驅動的擺鐘則開辟了精確計時的新紀元。當西方的計時技術突飛猛進之時，中國在宋代達到頂峰之后卻停滯不前，令人扼腕嘆息的同時，也引發了觀眾對于其背后原因的思考。

綜上所述，計時儀器的本質在于設置固定的時間間隔，即周期。周期越短，計時的準確度就越高。脈沖星是一種高速旋轉的致密中子星，會周期性發射脈沖信號，被譽為自然界中最穩定的時鐘。通過對脈沖星的計時觀測，可建立高精度的時空參考架。在展覽中，結尾的脈沖星計時與開頭的太陽鐘前后呼應，寓意著計時儀器的演進從自然界的周期到人造的周期，再回到自然界的周期，揭示了一個深刻的道理：任何事物的發展都是一個螺旋上升的過程。

3.3 授時技術的發展

如果說地球是一面巨大的時鐘，那么天上的星星就好比鐘面上的刻度，天文學家的望遠鏡就好比鐘面上的指針。一直以來，中國古代的時間科學工作都由天文機構承擔?！渡袝虻洹酚涊d：“乃命羲和，欽若昊天，歷象日月星辰，敬授人時?！贝_定、保持某種時間尺度，通過一定方式把這種尺度的時間信息傳送出去，供應用者使用，被稱為授時工作，即時間服務。

時間都去哪了？其實，時間無處不在，已經滲透到日常生活的方方面面。隨著人類社會的發展和科學技術的進步，授時系統已經成為國計民生中不可或缺的部分，關乎國家安全。在“授時技術的發展”板塊，按照時間的先后順序，擺放了各個時代的授時工具：從雞人報時到午炮報時，從鐘鼓報時到落球報時、閃光報時……在進入20世紀后，授時技術取得了重大進展，準確度、精度和穩定度不斷提高，覆蓋范圍遍及全球，授時手段不斷發展，諸如無線電授時、電視授時、電話授時、網絡授時、衛星授時、光纖授時等層出不窮。

自20世紀90年代至今，美國全球定位系統、俄羅斯全球衛星導航系統、中國北斗衛星導航系統、歐洲伽利略衛星導航系統先后投入使用，開啟了衛星授時的新時代。如圖6所示，衛星導航系統通過建立與國家標準時間的溯源關系，保持與協調世界時的同步，進而實現授時功能。說到這里，就不得不提北斗衛星導航系統，它是中國自主研制、獨立運行的全球衛星導航系統，可在全球范圍內全天候、全天時為各類用戶提供區域導航、定位和授時服務，并具備短報文通信能力。北斗衛星導航系統包括空間段、地面段和用戶端三個部分。其中，空間段由35顆衛星組成：5顆靜止軌道衛星、27顆中地球軌道衛星、3顆傾斜同步軌道衛星。

不過事物總有兩面性，衛星授時也存在建筑遮擋、信號干擾等缺點。因此，以穩定性著稱的地基長波授時再次獲得了人們的青睞。2018年，“高精度地基授時系統”獲批立項。作為“十三五”時期國家部署的重大科技基礎設施項目之一，該系統旨在建設與星基授時系統相對獨立、互補增強、融合共用的高精度地基增強型長波授時系統，實現授時信號的全國土覆蓋，重點區域授時精度優于百納秒;同時，利用我國通信光纖網建設覆蓋主要城市和重要用戶的高精度光纖時頻傳遞骨干網，時間傳遞精度優于百皮秒。建成后，地基授時將與星基授時一起構成我國星地一體化授時體系，提升我國安全保障與科技創新能力。

日后，我國還將建設更加泛在、更加融合、更加智能的綜合時空體系（PNT體系），為服務全球、造福人類貢獻智慧和力量。相信此時每位觀眾的心中都有一種莫名的感動油然而生，對祖國美好的未來充滿無限的憧憬。

3.4 精密時間的應用

在古代，人類對于精密時間的需求是天文和歷法;在近代，人類對于精密時間的需求是航海和測繪;在當代，人類對于精密時間的需求則是時間同步和導航定位。從某種意義上說，時間的精度決定著人類探索未知世界的深度和廣度。

精密時間為一切動力學系統和時序過程的測量和定量研究提供了必不可少的時基坐標。不僅在基礎研究領域廣泛應用，如量子信息、天體物理、空間天氣等;而且在工程技術領域同樣普遍應用，如信息通信、電力傳輸、公共交通等。其以完美的線性和連續性凸顯客觀世界的理性，成為人類認識世界和改造世界的工具。

國家授時中心推出了多種類型的時間產品和服務，其中對互聯網影響最大的就是數字時間的認證服務，即可信時間戳。就電子政務、電子商務而言，文件的簽署日期與簽署人簽名同等重要，都是防止文件被偽造或篡改的關鍵性內容?？尚艜r間戳的本質是一個電子證書，能提供準確的、權威的第三方時間證明。其工作原理：根據我國的法定時間源，結合現代密碼技術，通過專用互聯網可信時間服務器申請時間戳，對電子文件的時間信息采取必要的安全措施。在不獲取內容的情況下，確保數據的存在性和完整性，適用于電子合同、電子票據、電子檔案、電子病歷等。在“精密時間的應用”板塊，特別設計了“時間戳體驗區”，觀眾只需點擊觸摸屏，即可拍照留念，并完成時間戳的加蓋，讓北京時間見證您的重要時刻。加蓋時間戳的數碼照片，不同于一般意義的照片，它是一個可以采信的照片證據。

3.5 國家授時中心的發展歷程

國家授時中心是我國唯一、專門、全面從事時間頻率科學研究的學術機構，承擔著我國標準時間的產生、保持和發播任務。我們始終以國家需求為己任，勇于創新、敢于攻關、善于協作、甘于寂寞，逐步形成了一個全方位、多手段、多層次的國家授時系統，面向各行各業提供可靠的高精度時間服務。

在“國家授時中心的發展歷程”板塊，以時間為線索，分為三個階段。初創時期（1966—1976）：根據國防和戰備任務要求，中國科學院在陜西省渭南市蒲城縣籌建陜西天文臺（代號“326工程”），從天文時向原子時過渡，研制并建設長短波授時臺。發展時期（1980—1999）：以陜西天文臺本部遷至陜西省西安市臨潼區為契機，基本建成較為完整的國家授時體系。開拓創新時期（2000—2016）：新世紀伊始，在完善和提升國家授時體系的同時，向新的研究領域拓展，確立時間頻率、導航定位的“一體兩翼”發展格局。

4 結語

當今世界發展一日千里，科技進步日新月異，知識更新的速度之快用“大爆炸”來形容毫不為過。相應地，隨著社會變革的加速，人們汲取知識的方式也在不斷發生變化。在這種對知識的渴求下，科技博物館的建設和發展得到了國家的大力支持和推動。

時間科學館肩負著向全社會普及時間科學的責任，同時也是科研院所與公眾溝通交流的平臺。其集科技展覽、科普教育、互動娛樂為一體，以現代化的展示手段，帶領觀眾在參觀中感受時間科學的魅力，在體驗中激發對時間科學的興趣，真正做到了思想性、科學性和藝術性的有機融合。

參考文獻

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[5]竇忠，劉永鑫.時間從哪來？[J].中國國家天文，2018（6）：18-35.

The story of time： The origin and construction of National Time Service Center Science Museum// CHEN Lin， DOU Zhong， LIU Yongxin

First-Author's Address National Time Service Center in Chinese Academy of Sciences， E-mail： ntsckp@ntsc.ac.cn

Abstract Designed and built by National Time Service Center in Chinese Academy of Sciences， Time Science Museum is the first science and technology museum in China that specialized in time science with the commitment to popularizing the knowledge of time science to the whole society and exhibiting the evolution of time measurement， timing， time service and time application from past to present， home and abroad. It also introduces the development history and cutting-edge achievements of the time science work in new China， which plays an important role in enhancing cultural self-confidence and improving public scientific literacy.

Keywords time science， museums， science popularization