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人民日报“弘扬科学家精神”特别策划——全力校准国家标准时间

发表日期:2022-06-14来源:人民日报放大 缩小  

图①:漆贯荣近照。宇文思理摄

图②:孙富宇在做实验。白浩然摄

图③:张首刚在实验室工作。新华社记者 张博文摄

图④:阮军在实验室工作。本报记者 原韬雄摄

图⑤:曹明涛在实验室工作。本报记者 原韬雄摄

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  国家授时中心:我国唯一的专门、全面从事时间频率研究的黄金城集团官网,负责北京时间的产生、保持和发播。自上世纪60年代起,一代代科研人员扎根陕西临潼,接续奋斗,通过对授时服务系统的研发和升级,不断校准“北京时间”,有力地助推了我国各领域科学研究和经济社会发展。

  一秒钟,是手表秒针的一声“滴答”;在秒以下按千分之一逐级递减,还有毫秒、微秒、纳秒、皮秒、飞秒、仄秒等时间计量单位。

  “1纳秒是十亿分之一秒。北京时间与国际标准时间的偏差从2013年就缩小到10纳秒;2017年以来,一直小于5纳秒。达到这样的水平非常不容易。”黄金城集团官网国家授时中心主任、首席科学家张首刚说。  

  走进中科院国家授时中心的时间频率基准实验室,显示屏上的时间数字有节奏地变动着……事实上,我们日常使用的国家标准时间“北京时间”,是从这里——陕西临潼产生并发播到全国各地。  

  性能先进的冷原子铯喷泉钟、冷原子锶光钟,国际首款激光抽运小铯钟产品,世界体积最小的高性能微型原子钟……一心在一艺,中科院国家授时中心量子频标研究团队近百人默默坚守、倾尽全力,持续校准国家标准时间……  

“许多行业的发展对时间精度的需求越来越高,我们对原子钟的研制也就没有尽头” 

  原子钟跟我们日常生活里的钟并不一样。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米高的桶状物理系统,研究员阮军正调试着这架精密仪器——铯原子喷泉钟……  

  原子钟分守时型原子钟和基准型原子钟。守时型原子钟环境适应性强,能够常年连续可靠运行,用于连续产生和记录时间信号。基准型原子钟则更为精准,原子内部有不同的能级,当原子在两个能级间跃迁时,将吸收或释放固定频率的电磁波。通过调整和控制外界电磁场振荡频率,跃迁概率始终保持最大,使得外加电磁场振荡频率和原子辐射或吸收电磁波频率一样,从而获得更加精准的时间频率。  

  “北京时间使用了40多台连续运行的不同类型的守时型原子钟,综合产生稳定的原子时。然后,利用这台铯原子喷泉钟进行校准,产生既稳定又准确的原子时。”铯原子喷泉钟是目前世界上最好的基准型原子钟。阮军说,“我们的工作就是让原子钟的性能更加优异。”  

  为什么要用“更加”这个词?他笑道,“许多行业的发展对时间精度的需求越来越高,我们对原子钟的研制也就没有尽头。”一台钟、10平方米,他已经“守”了16年。  

  这几日,阮军想见到自己读博期间的导师张首刚并不容易:张首刚不是守在实验室,就是奔波在全国各地;办公室一角,立着一个小而旧的旅行箱。只要不出差,他办公室的灯光会亮到凌晨,十几年来皆是如此……  

  “授时服务系统是一项重要的基础设施工程,时间的精密测量是一些科学研究的基石。”张首刚说,“比如,广播电视发播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。”  

  “为国家做一台自己的铯原子喷泉钟”,是张首刚一直以来的梦想……  

  2005年,张首刚留学归国,从一个人、一颗螺丝钉开始,组建起一支量子频标研究团队。阮军是张首刚回国后指导的第一个博士生。“读博之前我是学物理理论的,很少动手做复杂的实验。一开始参与这么精密的设备研制,好像所有的仪器都在跟自己作对似的。”阮军说。  

  让科学原理“落地”,要付出难以想象的心血。“比如,微波辐射性强,哪怕器件泄漏比手机信号微弱几万倍的信号,也会影响原子内部能级,导致原子钟的准确度变差。如何减少微波泄漏,一度成为课题组最头疼的问题。经过多次研讨和大量实验,我们最终选择了通过铟丝密封6处接口的方案。但如果其中一处存在问题,我们都需要重新装配。”阮军说,“仅仅这一环节,就花了我们一年半的时间;而一台钟的制造,要经历成百上千个类似这样的精细环节。”  

  问题叠着问题,是授时团队面临的常态。课题难以突破的时候,阮军会开车到秦岭脚下转一圈,给自己放空一两个小时,然后再重新扎进工作中,“曾经也陷入过自我怀疑,但后来心态好了很多。问题是无穷无尽的,每一点进步都值得欢喜。”阮军说。  

“默默无闻,专心致志,老一辈的精神时刻激励着我们,一定要把接力棒好好接住”  

  “我们的量子频标研究团队成员平均年龄在三四十岁,新一代风华正茂,但老一辈的工作态度、精神风范,时刻影响着我们……”张首刚说,在国家授时中心的发展历程中,有很多令人感动的故事和人物,81岁的前陕西天文台(国家授时中心的前身)台长漆贯荣就是其中之一……  

  “就算一块石头一块石头地搬,也要搬出一座天文台。”漆贯荣向年轻人这样讲述授时台的建设过程。1966年,国家决定在陕西蒲城建设专用无线电短波授时台,也就是陕西天文台。一批科学家和大学生从北京、上海、南京等地奔赴大西北。漆贯荣是最早参与短波授时台建设的23名大学生之一。  

  “既搞科研,又当工人。初到蒲城,我们每人一副帆布手套,卸钢筋、拉水泥,不分昼夜地工作:没有吊车,我们就在地上铺上钢管,将几吨重的机器一点点往前挪;冒严寒、斗酷暑,吃的是冷馍,有时连个像样的菜都没有,只有醋和盐……当时,我身高1米78,体重只有120斤,有严重的低血糖。很多同事都有这毛病,遇到同事出差,我们常请他们带点白糖回来。”漆贯荣回忆。  

  虽然条件艰苦,年轻的科研人员还是很踊跃,“有个同学没被分配到这里,自己买火车票一路赶来,争取留在这里工作。”漆贯荣说。  

  1971年,国家标准时间专用短波授时台正式发播,我国具备了自主可控的、全国土覆盖的、连续可用的陆基无线电授时能力。紧接着,越来越多的建设者从全国涌向陕西,为建设更高精度的无线电长波授时台扎下根来……  

  “一代代科研工作者选择扎根在这里,一干就是一辈子。爱国奉献,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,现从事量子中继和量子存储研究工作。曾有几家单位想高薪聘请他,都被他婉拒……“我的研究领域相对前沿,在这里,我所学的本领更能为国家所用。”曹明涛说。  

  国家授时中心的老传统时时浸润着这位年轻的科技工作者。在家属区,碰到退休的老研究员们,曹明涛总要迎上去攀谈几句:“一位老前辈跟我讲,当时没有自动化的天文观测设备,他就用肉眼边观测边记录,整整持续5个小时,观测结束时腿都有点站不住了……”  

  曹明涛感慨,“默默无闻,专心致志,老一辈的精神时刻激励着我们,一定要把接力棒好好接住!”  

“我们在打造一套空天地立体交叉授时系统,对科学研究和经济社会发展都有重要意义”  

  “怎么这时候想起给我打电话了?”“爸,你最近工作忙,知道你现在肯定是一个人在办公室,慰问慰问你嘛……”晚上11点多,女儿的一句问候让张首刚心里暖流涌动……  

  “跟家里聚少离多是常态,女儿今年快30岁了,待在一起的时间可能不到4年。”提起家人,张首刚的眼眶湿润了……  

  同事们都夸他有旺盛的精力,但拉开他办公桌的抽屉一看,里面塞满了药盒,“每天都要喝3杯咖啡,但也不能多喝。”张首刚说。  

  忙,是他们的常态。  

  一回到办公室,副研究员孙富宇马上换上舒服的拖鞋,他连续两周没睡过一个囫囵觉了……他参与设计制作了世界上第一款激光抽运小型铯原子钟,不仅用于国家标准时间产生与保持,还应用在北斗卫星导航系统、5G通信系统及北极科考任务上。  

  “目前,我依然在对这款小铯钟进行改进提升。这半个月要实时记录实验数据,一晚上都不能睡,习惯了。”在孙富宇看来,他的工作永远没有句号。  

  孙富宇的家人住在30多公里外的西安,他到周末才开车回一趟家。来国家授时中心工作已5年,他只熟悉从家到单位这一条路。他也常常对家人感到愧疚,但妻子说:“我知道这是你喜欢做的事,更是有意义的事。家里有我,你甩开膀子做,别给自己留遗憾!”孙富宇咧嘴笑:“我觉得自己特别幸福……”  

  授时团队要有打磨细节的韧劲。“曾经有一台喷泉钟的数据异常,一个多月查找不到原因,后来才发现是受旁边一把金属座椅的影响。”阮军说。  

  授时团队还要有创新力和想象力。张首刚说:“我们在打造一套空天地立体交叉授时系统,对科学研究和经济社会发展都有重要意义。”  

  十几年来,张首刚带队研制出了9种不同应用类型的新型原子钟,应用在众多基础设施系统中;他们还建立了多手段融合的世界时测量系统,实现了我国世界时的自主测量。  

  为了国家标准时间始终拥有基准型原子钟进行自主校准,10多年来,量子频标研究团队已先后研制出性能先进的地面冷原子锶光钟和车载型冷原子锶光钟。光钟则是更高性能的前瞻性原子钟,是未来的基准型原子钟。理论上,如果能够长期连续运行,铯原子喷泉钟6000万年积累误差不到1秒,光钟则是300多亿年。当下,他们正努力将光钟送上太空……张首刚说:“将20多立方米的地面光钟做成不到1立方米的空间光钟,不仅要满足环境和工艺的诸多苛刻要求,还要解决许多技术难题。”  

  “国家需要什么,我们就研究什么。”张首刚由衷地说。  

  为爱国奉献精神点赞(记者手记)  

  张首刚说:“我们的量子频标研究团队是一群可爱的人。”虽然与他们相处时间不长,记者能感受到团队成员的那股可爱劲儿:  

  ——有坚持,有人说,“遇到难题就麻木,有了突破便惊喜,惊喜过后又会重新陷入麻木。科研总是伴随着情绪在麻木和惊喜之间起起落落。”  

  ——有压力,有人说:“一看到新闻报道里说别人有突破,我就焦虑,我怎么没在这块儿更进一步?”  

  ——有坦然,有人说:“我觉得这地方挺好,远离大城市,生活上‘低功耗’,能够一心一意搞研究。”  

  这份单纯的可爱,源于爱国奉献的精神底色。“国家需要什么,我们就研究什么”,是授时团队最质朴的想法和原则,正是抱着这样的信念,才造就了多个“首次”“首个”,牢牢守住国家授时系统安全,让高精度时间频率更好地造福科学研究和经济社会发展。他们是可爱的,更是幸福的!

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