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上海制造:天宫二号里的原子钟3千万年误差1秒精度世界第一-王育竹,...

一台3000万年误差1秒的空间冷原子钟,此刻正在天宫二号履行它的使命。这是国际上首台在轨运行并开展科学实验的空间冷原子钟,也是目前在空间运行最高精度的原子钟。利用激光冷却技术,原子的温度在地面已经降低到了接近绝对温度(-273.15摄氏度)。

“高冷”的背后,是中科院上海光机所两代热血科学家的无尽求索和倾力付出。他们处事低调,很少谈自己,在别人眼里“波澜壮阔”的科学研究,只是如常的工作。就算曾经经受生活的磨难,对待科学依然怀有一颗赤子之心。

3000万年误差1秒的空间冷原子钟

中国第一台铷原子钟,诞生在一家小工厂

人生中总有那么几幕场景会定格。对于84岁的中科院院士王育竹来说,1957年11月17日的那个冬日总是历历在目。那一天,毛主席在莫斯科大学大礼堂接见中国留学生,王育竹就身处其中。听不大懂湖南方言的他本来就很着急,旁边很多人都在往前拥,他急切之下爬上了旁边的窗台。“世界是你们的,也是我们的,但归根结底是你们的。你们青年人朝气蓬勃,正在兴旺时期,好像早晨八九点钟的太阳。希望寄托在你们身上。”这几句话,王育竹不仅听懂了,还牢牢地记了一辈子。采访中,他不自觉地背诵起来,甚至因为激动一度哽咽。

王育竹回国后致力于原子频标研究,他所在的团队1964年研制成功了钠原子钟实验装置。1965年调到上海光机所后,当时国外报道研制成功了性能优异的铷原子钟,但这一技术对中国禁运。王育竹和同事们开始了铷原子钟研究。不久,“文革”爆发,开始批判“修正主义”科研道路,和王育竹一起调到上海的一位老科学家自杀了,他也被关在了地下室。这梦魇般的日子,在王育竹心心念念再次进入实验室之后,被他淡忘成了过去。

所谓的实验室,其实是在一家生产漆包线的小工厂内。工人师傅十分友好,王育竹度过了一段平静的科研时光。10多名科研人员白天就挤在工厂食堂上面搭的一间陋室里工作,晚上回到五六个人一间的宿舍睡一觉。工厂里整天弥漫着香蕉水和甲烷的味道,让人不敢深呼吸。就是在这里,他们艰苦奋斗了7年,研制出当时国防急需的中国第一台铷原子钟,这台钟采用了王育竹的三项创新技术,1977年经测试达到西德铷原子钟水平。

比诺奖得主提出同类思路早了5至10年

人生中总有一些决定至关重要。45岁的王育竹重新回到上海光机所工作后,一篇国际同行关于激光冷却气体原子的文章让他精神一振。原子钟的精确度受限于原子的热运动速度,如果能降低原子的温度,原子钟的精确度就会大幅度提高。就在这一刻,他决心投入到激光冷却气体原子研究中去。

1997年度诺贝尔物理学奖授予了在激光冷却气体原子研究方面做出贡献的朱棣文等3位科学家。消息传来,我国科技界几位学者不无惋惜地说,王育竹提出的物理思想和工作机制与诺奖得主的相一致。对于得奖,王育竹比较淡然,但他坦言看到自己的国家落后了,心里比较着急。

早在1979年,王育竹就公开提出了有关激光冷却气体原子的两种新设想。这些原创思想提出的时间,比国外科学家提出同类思路早了5至10年。当年,王育竹在日本讲学和合作实验时,就证明了激光冷却气体原子技术的可行性。跃跃欲试的他回国后,希望得到2台总计价值约100万元的激光器做实验,但这在基础研究经费捉襟见肘的当时是不可能的。他只能用分配到实验室的有限经费逐步地建立实验装置。这样一拖就是14年,直到1993年才实现了积分球激光冷却原子束的实验,证明了其物理思想的正确性。期间,王育竹受邀在1985年的国际激光光谱会议上做了报告,他是第一个站上报告席的中国科学家。1988年王育竹的团队观察到低于多普勒冷却极限温度的现象,这是国际上最早观察到这一现象的两个小组之一。

诺贝尔奖得主维曼教授曾说过,任何一个实验室获得“玻色-爱因斯坦凝聚”都是一场挑战。2002年3月,团队实现了中国第一个铷原子稀薄气体的玻色-爱因斯坦凝聚。

82岁时每天都去实验室,下辈子还想做科研

人生中总有一些说不清的渊源。10岁的王育竹最喜欢的事情就是乘火车听它的鸣叫声,相向而开一路尖叫的火车经过他的车窗旁,会突然变成呜呜低鸣。这个问题一直纠缠在他心里,直到学了物理,他才知道这就是多普勒效应,而且和他研究的激光冷却息息相关。为了求解一个科学问题苦苦思索,也成了他一辈子的习惯。

从年轻时,为了一个科研细节,王育竹就算躺在床上也还在思考。久而久之,他落下了失眠的毛病,必须吃药才能睡着,否则一夜无眠。对此,他却很达观地说:“在安静环境下思考一些问题还是很值得的。”

前年82岁时他每天都去实验室,去年83岁时每周去两次,今年生了肺炎后就只能打电话到实验室。王育竹感叹,当他回顾自己的科研经历,深深感到时间过得太快,还没有做几件有意义的事,已步入老年。6年前,他因脑垂体瘤开刀,询问医生每天还能工作多长时间,对方开玩笑说1个小时。事实上,就算在家休养,他仍然每天工作七八个小时。

这位空间冷原子钟实验分系统首席科学家、我国原子频标和激光冷却原子的开拓者之一告诉记者,“我喜欢这样的工作,下辈子还想做科研。”

要么在实验室,要么在出差的路上

人生中有一种力量叫梦想。一个“空间冷原子钟”的梦想在两代科学家身上传承。空间冷原子钟项目主任设计师刘亮研究员是王育竹院士最优秀的学生之一。“国家需要你们”,恩师的一声召唤,刘亮放弃了美国公司的高薪工作,经过艰难的抉择,2006年回到了上海光机所。

2007年,在王育竹院士指导下,刘亮领导的空间冷原子钟团队成立,平均年龄不到三十岁。尽管基于激光冷却的原子钟早就有了,但冷原子钟上天需要的技术是全新的,因此这一高难度的项目起初并不被看好。

经过3年艰苦的努力,团队完成了空间冷原子钟原理样机的研制、地面科学论证和工程论证。“我们没有作息时间表,没事时可以休息,但很少有这样的时候。我们要么在实验室,要么在出差的路上。”刘亮介绍,这个项目从原理、样机到初样、正样,都有严格的时间节点要求。和时间赛跑,没有人敢懈怠。直到今年7月冷原子钟的正样交付之后,他才硬性规定团队今后加班不能再超过晚上11点。

十年攻坚,也有过怎么都攻不下来的时候。有一次测试怎么都看不到想要的信号,就只能一步步地倒查原理和技术,他们坚信只要不是原理问题,就一定能查得出来。就是凭着这股韧劲,他们攻下了一个个难关,最终让国际首台“空间冷原子钟”的科技梦想得以实现。

十年攻坚,这支年轻的团队把人生最美好的岁月和空间冷原子钟紧紧系在了一起。这些青年才俊如果跳槽到外面的公司,工资能翻几倍,但30多个人的团队没有一个人离开。只要心中存有信念,没有人会轻言放弃。

接下来,这个团队又瞄准了空间站的空间超冷原子物理,以及更高的时间频率系统。

梦想还在继续,他们已经踏上新的征程。