①:戚冠荣近照。
于摄
②:孙伏雨在做实验。
白浩然摄
图3:张守刚在实验室工作。
新华社记者张博文摄
④:阮军在实验室工作。
本报记者袁育雄摄
⑤:曹明涛在实验室工作。
本报记者袁育雄摄
人物名片
国家授时中心:中国唯一专门从事时间频率研究的科研机构,负责北京时间的产生、维护和播发。从20世纪60年代开始,一代又一代科研人员扎根陕西临潼,继续奋斗。他们通过授时系统的研发和升级,不断校准“北京时间”,有力助推了我国各领域科学研究和经济社会发展。
一秒是手表秒针的一次“滴答”;它在秒的千分之一以下逐级递减,也有毫秒、微秒、纳秒、皮秒、飞秒、微秒等时间计量单位。
“一纳秒是十亿分之一秒。北京时间与国际标准时间的偏差自2013年起缩小至10纳秒;2017年至今,不到5纳秒。达到这种程度不容易。”中科院国家授时中心主任、首席科学家张守刚说。
走进中科院国家授时中心时间频率参考实验室,显示屏上的时间数字有节奏地变化着…其实我们每天使用的国家标准时间“北京时间”就来自这里——陕西临潼,全国各地都在广播。
先进的冷原子铯喷泉钟、冷原子锶光钟、世界上第一个激光泵浦铯原子钟产品、世界上最小的高性能微型原子钟…中国科学院国家授时中心量子频标研究团队近百人同心同德,默默坚守,全力以赴,持续校准国家标准时间…
“随着很多行业的发展,对时间精度的要求越来越高,原子钟的发展没有止境。”
原子钟不同于我们日常生活中的钟。走进国家授时中心的“铯原子喷泉钟实验室”,首先映入眼帘的是一个近2米高的桶形物理系统。研究员阮军正在调试这台精密仪器——铯原子喷泉钟…
原子钟和参考原子钟。守时原子钟具有很强的环境适应性,可以常年连续可靠运行,用于连续产生和记录时间信号。参考原子钟更精确。原子中有不同的能级。当原子在两个能级之间跃迁时,会吸收或释放固定频率的电磁波。通过调控外加电磁场的振荡频率,使跃迁几率始终保持最大,使外加电磁场的振荡频率与原子辐射或吸收电磁波的振荡频率相同,从而获得更精确的时间频率。
“北京时间在连续运行中使用了40多台不同类型的守时原子钟,综合产生稳定的原子时。然后用这个铯原子喷泉钟进行校准,产生稳定准确的原子时。”铯喷泉钟是目前世界上最好的参考原子钟。阮军说,“我们的工作是让原子钟更加优秀。”
为什么要用“更多”这个词?他笑道,“很多行业的发展对时间精度的要求越来越高,我们对原子钟的研究永远不会结束。”一个座钟,10平米,他已经“守”了16年。
这几天,阮军在读博期间见到导师张守刚很不容易:张守刚要么在实验室,要么在全国各地奔波;在办公室的角落里,放着一个又小又旧的手提箱。只要他不出差,他办公室的灯就会一直亮到凌晨,十几年来都是这样…
“授时系统是一项重要的基础设施工程,时间的精确计量是一些科学研究的基石。”张守刚说,“比如广播电视传输控制需要毫秒级精度,4G通信的基站同步需要微秒级精度,卫星导航需要纳秒级精度。”
“为国家制造自己的铯喷泉钟”是张守刚长久以来的梦想…
2005年,张守刚留学回国。从一个人一颗螺丝钉开始,他组建了量子频标研究团队。阮军·张守刚是回国后的第一位博士生。“我读博士之前是学物理理论的,很少做复杂的实验。当初我参与研制这么精密的设备,好像所有的仪器都是和自己作对。”阮军说。
要让科学原理“落地”,需要超乎想象的努力。“比如微波辐射很强,即使设备泄漏了比手机信号弱几万倍的信号,也会影响原子内部的能级,导致原子钟的精度变差。如何减少微波泄漏一度成为课题组最头疼的问题。经过多次讨论和大量实验,我们最终选择了用铟线密封六个接口的方案。但如果其中一个出现问题,我们都需要重新组装。”阮军说,“仅这个环节就花了我们一年半的时间;一个钟表的制造,要经过几百道像这样微妙的环节。”
问题重叠问题是计时团队面临的常态。当课题难以突破时,阮军会开车到秦岭脚下,给自己空一两个小时,然后再一头扎进工作中。“我一度陷入自我怀疑,但后来感觉好多了。问题层出不穷,每一点进步都值得欣喜。”阮军说。
“默默无闻,兢兢业业,老一辈的精神时刻激励着我们,所以我们一定要把接力棒接好”
“我们量子频标研究团队成员平均年龄三四十岁,新一代正值壮年,但老一辈的工作态度和精神风范时刻影响着我们……”张守刚说,国家授时中心的发展历程中有很多感人的故事和人物,81岁的陕西天文台原台长(国家授时中心前身)戚冠荣就是其中之一…
“即使你一块石头一块石头地移动,你也必须搬出一个天文台.”关荣向年轻人讲述了时间服务平台的建设过程。1966年,国家决定在陕西蒲城建设专用无线电短波授时站,即陕西天文台。一批科学家和大学生从北京、上海、南京等地奔赴西北。齐荣是首批参与建设短波授时站的23名大学生之一。
“做科研,当工人。刚到浦城时,我们每个人都带着一副帆布手套,卸钢筋、拉水泥,没日没夜地干活:没有吊车,我们在地上铺设钢管,把几吨重的机械一点一点地往前挪;我吃的是冷包子,有时候连个像样的菜都没有,只有醋和盐……那时候我身高1米78,体重只有120斤,严重低血糖。很多同事都有这个问题。我们出差遇到同事,经常让他们带点糖回来。”关荣的回忆。
尽管条件艰苦,年轻的研究人员仍然非常热情。“一个没分到这里的同学买了火车票,大老远跑来这里上班。”关荣说。
1971年,国家标准时间专用短波授时站正式开播,我国具备了自主可控、覆盖全国、连续可用的陆基无线电授时能力。于是,越来越多的建设者从全国各地涌向陕西,为建设更高精度的无线电长波授时站埋下了根…
“一代又一代的科研工作者选择在这里扎根,而且会是一辈子。爱国主义是我们的精神底色。”国家授时中心党委书记窦忠说。
34岁的副研究员曹明涛去年来到国家授时中心,现在从事量子中继和量子存储研究。好几个单位想高薪聘请他,都被他婉拒了……“我的研究领域比较前沿,在这里,我学到的技能可以更多地为国家所用。”曹明涛说。
国家授时中心的老传统,始终渗透在这位年轻的科技工作者身上。在家属区,曹明涛总会遇到退休的老科研人员,聊上几句:“一位老前辈告诉我,当时没有自动天文观测设备,他用肉眼观测记录,持续了5个小时。观察结束时,他的腿有点站不住脚……”
曹明涛感慨道,“默默无闻,专心致志,老一辈的精神时刻激励着我们,我们一定要把接力棒抓好!”
“我们正在建设一套空授时系统,对科学研究和经济社会发展具有重要意义”
“为什么这个时候想到给我打电话?”“爸,你最近工作忙。我知道你现在一定一个人在办公室。我谨向你表示哀悼……”晚上11点,女儿的一句问候让张守刚感到温暖…
“和家人团聚很正常。我女儿今年快30岁了,可能在一起不到4年。”说到家人,张守刚的眼眶湿润了…
同事们称赞他精力旺盛,但当他打开办公桌的抽屉时,里面全是药箱。“每天要喝三杯咖啡,但是不能喝太多。”张守刚说。
忙是他们的常态。
一回到办公室,副研究员孙福玉马上换上了舒适的拖鞋。他已经连续两周没睡觉了……他参与设计制作了世界上第一台激光泵浦的小型铯原子钟,不仅用于国家标准时间的产生和维护,还用于北斗卫星导航系统、5G通信系统和北极科考任务。
“目前我还在改进这个小型铯原子钟。我要实时记录半个月的实验数据,整晚都睡不着。我已经习惯了。”在孙福裕看来,他的工作永远不会结束。
孙福玉的家住在30多公里外的Xi安。直到周末他才开车回家。他在国家授时中心工作了五年,只熟悉从家到单位的路。他常常对自己的家庭感到愧疚,但他的妻子说:“我知道这是你喜欢做的事,而且更有意义。有我在家里,张开双臂去做,不要给自己留下任何遗憾!”孙伏雨咧嘴一笑:“我觉得特别幸福……”
计时团队要有打磨细节的韧劲。“曾经有一个喷泉钟数据异常,一个多月都找不到原因。后来发现是受旁边一个金属座的影响。”阮军说。
计时团队应该具有创新性和想象力。张守刚说,“我们正在建设一套空立体授时系统,对科学研究和经济社会发展具有重要意义。”
在过去的十年里,张守刚带领团队开发了9种不同应用类型的新原子钟,应用于许多基础设施系统。他们还建立了多手段世界时测量系统,实现了中国世界时的自主测量。
对于国家标准时间,我们总是有一个用于自我校准的参考原子钟。10多年来,量子频标研究团队研制了先进的地面冷原子锶光钟和车载冷原子锶光钟。光是更高性能的前瞻原子钟,是未来的参考原子钟。理论上,如果能长时间连续运行,铯原子喷泉钟6000万年的累积误差不到1秒,而光钟的累积误差超过300亿年。目前,他们正试图把光钟送到泰空…张守刚说:“要把20多立方米的地面光钟做成1立方米空以内的光钟,不仅要满足环境和技术上的很多苛刻要求,还要解决很多技术问题。”
“我们将研究国家需要什么。”张守刚真诚地说道。
为爱国奉献点赞(记者手记)
张守刚说,“我们的量子频率标准研究团队是一群可爱的人。”虽然和他们在一起的时间不长,但记者能感受到队员们的可爱:
——坚持,有人说“遇到难题,就会麻木;当你有了突破,你会惊喜;惊喜过后,你又会麻木。科学研究总是伴随着在麻木和惊讶之间起伏的情绪。”
-有压力。有人说:“当我看到别人取得突破的新闻报道时,我会焦虑。为什么我没有在这方面更进一步?”
——有人说,“我觉得这个地方挺好的,远离大城市,生活上‘耗电少’,还能全身心投入研究。”
这种单纯的可爱,源于爱国奉献的精神背景。“国家需要什么,我们就研究什么”是授时团队最朴素的理念和原则。正是抱着这样的信念,创造了一个又一个“第一”“第一”,牢牢守住了国家授时系统的安全,让高精度时间频率更好地惠及科学研究和经济社会发展。他们很可爱,甚至更快乐!
本版制图:王哲平