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【新華網】大國“鐘”匠——記中科院國家授時中心首席科學家張首剛和他的“時間團隊”

 

 

2月8日,中國科學院國家授時中心首席科學家張首剛在空間光鐘實驗室工作。新華社記者 張博文攝

2月8日,中國科學院國家授時中心首席科學家張首剛(左)在銫原子噴泉鐘實驗室工作。新華社記者 張博文攝

2月8日,中國科學院國家授時中心首席科學家張首剛(中)在空間窄線寬激光實驗室與科研團隊成員交流。新華社記者 張博文攝

2月8日,科研人員在中國科學院國家授時中心空間鍶原子光鐘實驗室工作。新華社記者 張博文攝

2月7日,科研人員在中國科學院國家授時中心空間鍶原子光鐘實驗室討論項目進度。新華社記者 張博文攝

2月8日,科研人員在中國科學院國家授時中心時間頻率基準實驗室記錄數據。新華社記者 張博文 攝

這是中國科學院國家授時中心時間頻率基準實驗室北京時間監測系統(2月7日攝)。新華社記者 張博文攝

2月7日,在中國科學院國家授時中心空間鍶原子光鐘實驗室,測量儀器顯示相關實驗信號。新華社記者 張博文攝

  時間的產生、保持,以及把時間信息通過一定的方式傳送出去,叫作“授時”。自20世紀60年代以來,我國一代代授時人扎根大西北,甘坐冷板凳,篳路藍縷、創新自強,鑄就了精準的“中國時間”。 ——題記

  在舉世聞名的秦始皇兵馬俑所在地——西安市臨潼區,自西向東從西安主城區駛來的地鐵在抵達華清池站后,以一個近乎直角的角度折向北行。

  一部分原因,是要避開東側約兩公里外的中國科學院國家授時中心,以免有可能影響從這里產生并保持的中國的國家標準時間——北京時間。

  中科院國家授時中心在其前身陜西天文臺的建成之初,主要是為滿足國防與經濟建設的急需而設立的。如今,中科院國家授時中心主任、首席科學家張首剛和他的“時間團隊”實現了多項關鍵核心技術突破,把我國標準時間與國際標準時間的偏差從100納秒減小到5納秒內,使其整體性能位居世界前列,將國家利益鐫刻進“星辰大?!?。

  爭氣 立志要造“中國大鐘” 

  張首剛的辦公桌臺面夾層下鋪著一件白色T恤衫,印著一個桶狀精密裝置的圖案。

  “T恤是我在法國巴黎天文臺畢業時同事們為我定做的。畫面上的裝置,就是我參與改造的世界上第一臺銫原子噴泉鐘?!彼f。

  在國際單位制的七個基本物理量中,時間是測量精度最高、應用最廣的一個。1967年,為提高時間測量精度,第十三屆國際計量大會修改了時間單位“秒”的定義,以反映地球自轉狀態的天文時“秒”變更為以原子內部電磁振蕩周期計時的原子時“秒”。自此,一些物理學家為能否研制出關乎時間產生與保持的原子鐘,即原子頻率標準(頻標)而努力,這不僅是一國時間頻率科學先進與否的戰略資源,更是國家主權的彰顯。

  曾任北京大學常務副校長的物理學家王義遒說過:“在精確打擊時代,原子鐘的作用不亞于原子彈?!?/p>

  “1998年,一名西方國家的知名物理學家在中國參觀后,說中國原子鐘實驗研究靠‘碰運氣’。我在與實驗室其他科研人員閑談中得知了這句話,被深深刺激,立志要做出一臺長中國人志氣的原子鐘?!睆埵讋傉f。

  2005年,張首剛海外學成回國后離開北京,來到位于西安市臨潼區的國家授時中心,主持原子鐘研發與標準時間研究。

  “當時國家授時中心用于守時的小銫鐘完全依賴進口,更沒有基準型銫原子噴泉鐘,就連相關研制設備和研究人員也都沒有?!睋埵讋偟拇髮W校友且幾乎同期歸國的國家授時中心研究員郭文閣回憶,就是在這樣的條件下,張首剛從一個人起步、從單位一間地下室起步、從一把螺絲刀起步,搭建平臺、招募人才。

  現如今,他建立起的國家授時中心量子頻標研究室已擁有近百名中青年科研人員,并發展成為中科院重點實驗室;不僅自主研制出了國際先進的基準型銫原子噴泉鐘,還在2018年實現守時型光抽運小銫鐘的產品化。

  應用廣泛的便攜化小銫鐘產品,此前50多年都被美國獨家壟斷。2017年,小銫鐘產品陸續對華禁售。

  如今這款國產小銫鐘不僅已應用在北斗衛星導航系統、長河二號導航系統、5G通信系統以及北極科考等任務,也裝備在國家標準時間產生與保持系統。2021年11月,三臺國產小銫鐘在國際標準時間計算中取得貢獻權重,并被國際權度局推薦給各國用于標準時間的產生。

  “那位說中國靠‘碰運氣’的外國科學家,在2019年的一次學術年會上碰到我時,對中國時頻領域取得的成就表示了欽佩?!睆埵讋傉f。

  奉獻 賡續紅色血脈的責任與擔當

  與張首剛的那件T恤衫同樣在他辦公室一放就是好幾年的,還有四瓶香檳酒。這是他從法國帶回來,起初是準備在某次重大突破后和大伙兒慶祝用的。

  可直到現在,哪怕他們取得了再多科研突破,慶功酒都未啟封。張首剛說,并非無功可慶,而是授時人心中都有一面表盤:在對準確度和穩定度性能永無止境的追求中,每一次付出的終點,都會周而復始成為新的起點。

  近代中國,標準時間的產生和傳遞曾長期被外國人所主導并把持。新中國成立后,隨著大規模國防和經濟建設的啟動,急需在內陸腹地的隱蔽地點建設一座授時臺。

  在周恩來總理關懷下,坐落于陜西省蒲城縣的陜西天文臺在1966年始建,并于1971年開啟短波授時。

  參與陜西天文臺創建的,有不少是來自北京、上海、南京等大城市的科學家和青年大學生。曾任陜西天文臺臺長的漆貫榮回憶,當時剛從南京大學畢業的他,與首批另外十多名青年下了火車轉汽車,下了汽車又步行才抵達遠離人煙的蒲城縣金幟山下。

  回憶當時眼前荒草叢生的工地,漆貫榮說:“就算是搬石頭,也要憑著雙手把天文臺建起來!”

  短波授時臺的建成,使我國具備國土全覆蓋的陸基無線電授時能力,翻開了中國授時的新一頁。在此基礎上,長波授時臺小功率試驗臺于1976年7月試播,4個月后,信號正式每天定時發播。

  “搞全國性的一個鐘……不光是對尖端技術重要,而且對我國自然科學,乃至整個科學的發展,都至關重要?!卞X學森曾這樣形容長波授時臺的意義。

  長波授時體系的建成,讓中國趕上了世界步伐。這項成果也在1988年榮獲國家科學技術進步獎一等獎。

  在獨立自主的授時體系建設中,一批中青年科技工作者扎根西部、科技報國。為進一步適應國家對授時工作的要求,陜西天文臺在1980年搬至臨潼,并于2001年更名為中國科學院國家授時中心。地址與名稱雖變但初心未改,新時代的授時人賡續著紅色血脈,執著于鉆研與奉獻。

  原子鐘是前沿理論和尖端技術的結晶,用十年乃至更久時間做出一臺原子鐘是常態。

  授時人受的苦,有時不只是身體的苦:有的久坐患上腰椎間盤突出也沒時間去做手術,有的腳踝骨裂打著石膏拄著拐在春節假期跳進實驗室;但更多的,是與成百上千個部件儀器“長相廝守”坐冷板凳之苦。

  光鐘是前瞻性原子鐘,國家授時中心研究員常宏負責著鍶原子光鐘的研制。在科研關鍵階段,身為家中獨子的他先后經歷了父母的因病去世,其中父親去世前就已癱瘓六年?!耙郧白钆乱估锝拥诫娫?,說家里老人有情況?!?/p>

  但他說,在這全世界都盯著的戰略高地,想要搶占下來,時間窗口只有一兩年。國家的計劃,不能在自己這里耽誤了,再難也得咬著牙把研究推下去。

  “造鐘是值得一生為之付出的事業,因為這是國家的戰略需求;造鐘也是一生干不完的事業,因為各行各業的發展進步對原子鐘性能,包括使用便捷度的要求無止境?!睆埵讋傉f。

  投身這項事業至今的31年里,他帶隊研制出了9種不同應用類型的新型原子鐘。

  創新 不斷勇攀世界科技高峰 

  經濟社會發展脈動的通信、電力、金融、導航等系統,其有效運行都有賴于高精度的時間同步。隨著社會的發展和科技的進步,授時系統不僅是關系國計民生的公益工程,還是關乎國家安全的戰略重器。

  2003年,為滿足國家重大急需,國家授時中心與相關研究院所憑借時間頻率技術與天文科學理論的積累,用不到三年時間研制建成中國區域定位系統(CAPS)演示驗證系統,精度不亞于美國GPS衛星導航系統。

  “CAPS系統建設體現出‘勇于創新’的精神,依然在鼓舞著新時代授時人前行?!敝锌圃簢沂跁r中心黨委書記竇忠說,創新是引領科技進步的第一動力。黨的十八大以來,國家授時中心堅持自主創新不停步、走快步,在國家戰略的必爭領域加強布局、做強做大。

  把比微波原子鐘精度更高的光鐘送上太空,實現高精度空間時間基準,是當前世界科技發展的前沿。張首剛和團隊的十多名中青年“鐘匠”,用十年打造出了中心的第一臺地面光鐘,如今的工作是把這臺鋪開來足有20多平方米的光鐘塞進不到1立方米的空間站實驗柜,其難度不只是器部件的尺寸縮小,更是系統與工藝的再造,需要突破系列關鍵技術。眼下,這臺“爭氣鐘”正加緊在國家授時中心研制。

  “國家授時中心的時間頻率研究和授時工作取得長足的進步,就是有這群可愛的同事們?!睆埵讋傉f,“國家人”做“國家事”、“國家隊”擔“國家責”,國家授時中心始終把國家利益放在首位,致力于填補一個又一個國內空白:

  ——重啟世界時這一戰略資源的自主測量,擺脫此前世界時數據對國外的依賴,保障我國航天任務的順利進行。

  ——啟動高精度地基授時系統建設,將光纖授時與改進后的長波授時結合形成地基授時,并與衛星授時融合,搭建天地一體的授時體系。

  ——發展網絡時間傳遞及應用新技術,在云端建立節點,建立起網絡授時系統,填補高精度“北京時間”在網絡空間的缺位。

  ……

  “國家利益拓展到哪里,我們的授時服務就跟到哪里?!睆埵讋傉f,授時人將賡續紅色血脈,弘揚“兩彈一星”精神和老一輩科學家精神,堅持自主創新引領高質量發展,在新時代的授時工作中奪取更大的成績。

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