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甩掉“洋拐棍” 中國(guó)迎頭趕上

——?jiǎng)?chuàng)制“北京時(shí)間”攻關(guān)紀(jì)實(shí)

發(fā)布時(shí)間:2024-03-07

來源:中國(guó)科學(xué)報(bào) 陳歡歡【字號(hào):

“北京時(shí)間7點(diǎn)整?!?/p>

當(dāng)這熟悉的聲音從廣播電視中傳來,人們往往會(huì)好奇,什么是“北京時(shí)間”、它是如何產(chǎn)生的、它的精度有多高、在國(guó)際上處于什么水平。

帶著這些問題,我們走進(jìn)產(chǎn)生、保持和發(fā)播“北京時(shí)間”的單位——中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心(以下簡(jiǎn)稱授時(shí)中心)。在這里,我們了解到,看似尋常的“北京時(shí)間”背后,是中國(guó)科學(xué)家攻堅(jiān)克難、甩掉“洋拐棍”的故事。

從最早使用進(jìn)口鐘,到如今掌握國(guó)際上最先進(jìn)的原子鐘技術(shù),70余年來,幾代“北京時(shí)間”守護(hù)者以有效滿足國(guó)家需求為使命,將國(guó)家意志牢記于心,堅(jiān)持追求“代表國(guó)家最高水平”,為國(guó)守時(shí),無問西東。

如今,中國(guó)自主產(chǎn)生、保持的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間——“北京時(shí)間”能夠運(yùn)行6000萬年不差1秒。其準(zhǔn)確度、穩(wěn)定度及對(duì)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間產(chǎn)生的貢獻(xiàn)權(quán)重穩(wěn)居世界前列,并有望在近年內(nèi)沖擊全球第一。

1 時(shí)間要那么精確有啥用

阮軍在授時(shí)中心讀了6年博士才畢業(yè)。朋友們經(jīng)常好奇地問他:“你到底是干什么工作的?博士為什么要讀這么久?”

“做原子鐘,保證‘北京時(shí)間’更加精準(zhǔn)。”

朋友聽得似懂非懂,往往會(huì)追問一句:“時(shí)間要那么精確有啥用?”

確實(shí),在大眾的觀念中,時(shí)間精確到分鐘就可以了,連秒都不需要,更不用說皮秒、飛秒、阿秒、仄秒了。

阮軍告知,時(shí)間這一物理量之所以重要,不僅在于其本身,還在于可以應(yīng)用其提高相關(guān)物理量與物理常數(shù)的測(cè)量精度,檢驗(yàn)一些基礎(chǔ)理論,如相對(duì)論的正確與否。

其中,最常見的需求是測(cè)距離。一座山到另一座山有多遠(yuǎn)?出海的艦艇離港口有多遠(yuǎn)?空中的衛(wèi)星距離地面有多遠(yuǎn)?世界上沒有一把長(zhǎng)到能夠測(cè)量出這些距離的尺子,而通過發(fā)射電磁波并測(cè)量電磁波傳輸?shù)臅r(shí)間,再乘以電磁波速度,就能得出任意兩點(diǎn)間的距離。

重點(diǎn)是,由于電磁波傳播速度在自由空間高達(dá)每秒30萬公里,如果計(jì)時(shí)器每秒有1微秒,即百萬分之一秒的誤差,最后得出的距離數(shù)據(jù)就會(huì)相差300米。

舉例來說,假如載人飛船和空間站交會(huì)對(duì)接時(shí)出現(xiàn)了幾秒誤差,這并不意味著它們會(huì)比原定時(shí)間晚一點(diǎn)對(duì)接,而是根本無法對(duì)接;發(fā)射和測(cè)控巡航導(dǎo)彈時(shí),更是“差之毫厘,謬以千里”;飛機(jī)、軍艦、戰(zhàn)車都需要測(cè)量信號(hào)從衛(wèi)星到自身所用的時(shí)間,以確定位置、校正航向。

可以說,一個(gè)測(cè)不準(zhǔn)時(shí)間的國(guó)家,是沒有條件打一場(chǎng)現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的。

“海灣戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)期美國(guó)就打出了導(dǎo)航戰(zhàn)?,F(xiàn)在,授時(shí)戰(zhàn)又成為一種新的戰(zhàn)爭(zhēng)形態(tài)?!笔跁r(shí)中心黨委書記竇忠指出,最近世界上發(fā)生的幾次戰(zhàn)爭(zhēng)中,當(dāng)?shù)厣峡盏膶?dǎo)航和時(shí)間信息都有被破壞的痕跡。

在民用領(lǐng)域,高精度時(shí)間同樣意義非凡。有了毫秒級(jí)的時(shí)間,電網(wǎng)可以高效運(yùn)行;有了百納秒級(jí)的時(shí)間同步,移動(dòng)通信可以進(jìn)入5G時(shí)代;有了納秒級(jí)的時(shí)間應(yīng)用,衛(wèi)星導(dǎo)航才能提供精準(zhǔn)服務(wù)……

授時(shí)中心主任張首剛介紹,時(shí)間是7個(gè)基本物理量中測(cè)量精度最高、應(yīng)用最廣的一個(gè),精度比其他物理量高出至少四五個(gè)量級(jí),且沒有“天花板”。隨著基礎(chǔ)研究的不斷深入和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,無論是國(guó)民經(jīng)濟(jì)還是國(guó)防建設(shè)、國(guó)家安全等,對(duì)時(shí)間精度的需求都在不斷提高。

“這是一輩子都做不完的事,也是值得做一輩子的事?!睆埵讋傉f。

2 “北京時(shí)間”正式開始

葉叔華在徐家匯觀象臺(tái)進(jìn)行時(shí)間觀測(cè)。上海天文臺(tái)供圖

時(shí)間回到70年前,在位于祖國(guó)東部沿海的上海,一位剛參加工作的女大學(xué)生同樣在苦苦追問:時(shí)間要那么精確到底有啥用?

她就是“北京時(shí)間”創(chuàng)制奠基人之一、中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)原臺(tái)長(zhǎng)葉叔華。

1949年,中國(guó)人民政治協(xié)商會(huì)議第一屆全體會(huì)議通過4項(xiàng)決議案,分別是確定首都、紀(jì)年、國(guó)歌和國(guó)旗,并將“中原標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間”改為“北京時(shí)間”,以首都北京所在的東八時(shí)區(qū)的區(qū)時(shí)為標(biāo)準(zhǔn)。之后,中國(guó)科學(xué)院領(lǐng)命接管了原先上海法租界的徐家匯觀象臺(tái),正式開始了“北京時(shí)間”的建立工作。

這項(xiàng)工作落到了20歲出頭的葉叔華身上,工作內(nèi)容似乎極其簡(jiǎn)單——白天做算術(shù),晚上看星星。

當(dāng)時(shí)全世界統(tǒng)一使用的世界時(shí)以地球自轉(zhuǎn)為基準(zhǔn),要靠觀測(cè)恒星的位置來確定。徐家匯觀象臺(tái)作為中國(guó)唯一可以發(fā)播標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的天文臺(tái),每天上午11時(shí)和下午5時(shí)準(zhǔn)時(shí)通過租用的商業(yè)電臺(tái)向全國(guó)授時(shí),每次播報(bào)5分鐘。

葉叔華從小成績(jī)優(yōu)異。高考完,父親讓她去打聽考上沒有,她不緊不慢地說:“不用打聽,我肯定考上了?!惫?,葉叔華以第一名的成績(jī)考入中山大學(xué)數(shù)學(xué)天文系。

這樣一個(gè)聰慧的人,每天卻要重復(fù)進(jìn)行嚴(yán)格又枯燥的觀測(cè)和計(jì)算工作?;貞浧鹜?,今年已97歲高齡的葉叔華笑著告訴記者:“來了3天就想走了。別人都以為搞天文的很浪漫,一旦自己上手就討厭死了,心里很不甘,難道一輩子就這樣了嗎?”

葉叔華后來之所以改變想法,是因?yàn)樗私獾骄褪沁@樣一份枯燥難耐的工作,對(duì)當(dāng)時(shí)正在進(jìn)行的全國(guó)地圖測(cè)繪至關(guān)重要。

“世界時(shí)實(shí)際上是地球在宇宙中的位置?!比~叔華說,繪制地圖需要在統(tǒng)一的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)下測(cè)量位置,才能將分散的地圖拼起來。而過去的中國(guó),軍閥混戰(zhàn),連一張統(tǒng)一的地圖都沒有。

原來,在高山上、森林里、大漠中,每日都有許多人守在無線電設(shè)備前,通過聽徐家匯觀象臺(tái)播報(bào)的時(shí)間來校準(zhǔn)自己的小鐘。只有這些小鐘足夠精準(zhǔn),我們的地圖才足夠清晰,一窮二白的新中國(guó)才能開展急需的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。

從此,葉叔華仿佛打通了“任督二脈”,拼了命也要把工作做好。

很快,葉叔華施展才華的機(jī)會(huì)來了。1958年,徐家匯觀象臺(tái)著手籌建我國(guó)自己的綜合世界時(shí)系統(tǒng),31歲的葉叔華挑起了這個(gè)擔(dān)子。

那時(shí)的徐家匯觀象臺(tái)設(shè)備老舊、技術(shù)過時(shí),特別是鐘。葉叔華回憶,那是一臺(tái)法國(guó)傳教士留下的老式擺鐘,搖搖欲墜,經(jīng)常要拿糯米糨糊修修補(bǔ)補(bǔ)。因此,在全球60多個(gè)天文臺(tái)參與報(bào)時(shí)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間中,中國(guó)的權(quán)重一直排在末尾。后來,在國(guó)家支持下,徐家匯觀象臺(tái)“鳥槍換炮”,終于擁有了一臺(tái)當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的石英鐘。

此外,中國(guó)還需要自創(chuàng)一套測(cè)時(shí)算法。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn),葉叔華采用獨(dú)特的方法——對(duì)觀測(cè)員根據(jù)其誤差變化取平均值,從而創(chuàng)立了一套獨(dú)立的時(shí)間測(cè)量方案。

1965年,我國(guó)“綜合時(shí)號(hào)改正數(shù)”通過國(guó)家技術(shù)鑒定;1966年初,正式作為我國(guó)的世界時(shí)基準(zhǔn),即“北京時(shí)間”向全國(guó)發(fā)播。

3 “326”工程

短波授時(shí)臺(tái)地下發(fā)射機(jī)房入口。授時(shí)中心供圖

1964年,我國(guó)第一顆原子彈爆炸成功,緊接著就要加緊研制“兩彈一星”中的導(dǎo)彈和人造衛(wèi)星。而這兩項(xiàng)工作都極度依賴精準(zhǔn)的時(shí)間系統(tǒng),且需要每天連續(xù)24小時(shí)不間斷發(fā)播時(shí)間信號(hào)??紤]到上海偏隅東部,信號(hào)間斷且不能覆蓋到西部邊疆,同時(shí)不符合戰(zhàn)備安全要求,國(guó)家明確提出“在西安地區(qū)建立短波授時(shí)臺(tái)”,并納入國(guó)家第三個(gè)五年計(jì)劃中的重點(diǎn)項(xiàng)目進(jìn)行建設(shè)。

最終確定的臺(tái)址是陜西省蒲城縣金幟山,位于唐憲宗陵附近。此地距離中國(guó)的大地原點(diǎn)——陜西省涇陽(yáng)縣不足100公里。除了建設(shè)短波授時(shí)臺(tái)外,項(xiàng)目還開展世界時(shí)和原子時(shí)研究工作,代號(hào)“326”工程。

科技“國(guó)家隊(duì)”——中國(guó)科學(xué)院再次領(lǐng)命,組織一批科學(xué)家和相關(guān)專業(yè)畢業(yè)的大學(xué)生,從上海、南京、北京等地奔赴大西北。大家懷著滿腔熱情,坐著大卡車進(jìn)入金幟山,可到現(xiàn)場(chǎng)卻傻了眼。

原中國(guó)科學(xué)院陜西天文臺(tái)(授時(shí)中心前身)臺(tái)長(zhǎng)漆貫榮是當(dāng)時(shí)的23名大學(xué)生之一,畢業(yè)于南京大學(xué)天文系。他和6名同班同學(xué)一起被分配到“326”工程,其他同學(xué)則留在南京、無錫等地參加工作。因?yàn)槟軈⑴c國(guó)家重大項(xiàng)目建設(shè),7人既自豪又感到幸運(yùn)。后來,一位留在蘇州工作的同學(xué)坐火車來陜西,經(jīng)過軟磨硬泡,纏得領(lǐng)導(dǎo)最終同意他留下工作。

然而,當(dāng)時(shí)短波臺(tái)選址在荒山野嶺,宿舍建在山坡上。說是到短波臺(tái)工作,可短波臺(tái)又在哪兒呢?漆貫榮的同班同學(xué)王正明形容:“好像一盆冷水從頭頂澆了下來。”

大家首先要解決“三通”問題——通水、通電、通路。漆貫榮領(lǐng)到的任務(wù)是通路,人送外號(hào)“路局長(zhǎng)”。他先找到一家設(shè)計(jì)單位畫了圖紙,再找附近農(nóng)民幫助施工,不到3個(gè)月就鋪通了一條石子路。

通水則麻煩得多,他們往地下打了100多米都沒有找到水,后來不得不引水上山。山上老鄉(xiāng)家用的是露天接下的窖水,他們有時(shí)渴了向老鄉(xiāng)討水喝,得到的往往是一個(gè)饅頭。當(dāng)時(shí)的金幟山是名副其實(shí)的不毛之地,連一棵樹都沒有。有一次漆貫榮被曬得受不了,只得找了一個(gè)地洞鉆進(jìn)去,進(jìn)去才發(fā)現(xiàn)那是一個(gè)盜洞,墻上還清晰地保留著前人的手印。

就這樣,不管是領(lǐng)導(dǎo)、科學(xué)家還是大學(xué)生,不管是男同志還是女同志,大家一起卸鋼筋、拉水泥,不分晝夜地工作,不知道磨壞了多少副帆布手套。沒有吊車,他們就在地上鋪鋼管,將幾噸重的機(jī)器一點(diǎn)一點(diǎn)往前挪……

那時(shí)交通不便,去鄰縣辦事要走三四天,除了搭老鄉(xiāng)的馬車,就是靠?jī)蓷l腿走。生活雖苦,精神頭卻很足,就這么一塊石頭一塊石頭地搬,他們用不到3年時(shí)間“搬”出了新中國(guó)第一座國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間專用短波授時(shí)臺(tái)。

1970年,“326”工程建成竣工,周恩來總理親自批示,從1971年1月1日起正式啟用。從此,我國(guó)具備了自主可控、全國(guó)土覆蓋、連續(xù)發(fā)播的陸基無線電授時(shí)能力。“326”工程也正式更名為“中國(guó)科學(xué)院陜西天文臺(tái)”。這些來自天南海北的年輕人大部分都留在了陜西,從風(fēng)華正茂到白發(fā)蒼蒼,為祖國(guó)的時(shí)間頻率科技事業(yè)奉獻(xiàn)終生。

1998年,短波授時(shí)臺(tái)經(jīng)過技術(shù)升級(jí)在新址重新建設(shè)運(yùn)行,金幟山上的短波授時(shí)臺(tái)結(jié)束歷史使命,停用封存,后被列為省級(jí)重點(diǎn)文物保護(hù)單位、國(guó)家工業(yè)遺產(chǎn)。如今,地面大廳作為國(guó)家科學(xué)家精神教育基地再次向公眾開放。

今天,來到位于山洞中的短波授時(shí)臺(tái)發(fā)射機(jī)房,推開厚重的防核彈級(jí)別的大門,依舊能聞到濃烈的柴油味兒,一些廢舊儀器設(shè)備表面還留有清晰的紅字:“人民,只有人民,才是創(chuàng)造世界歷史的動(dòng)力?!币话闳嗽谶@里待上幾分鐘,就會(huì)感受到密閉恐懼的壓力。很難想象當(dāng)時(shí)的技術(shù)人員是如何在這陰暗潮濕的山洞里每日三班倒、不分晝夜地工作的。

“326”工程竣工后不久,它的兄弟工程“3262”工程登上了歷史舞臺(tái)。

4 獨(dú)立自主的工程

長(zhǎng)波授時(shí)臺(tái)技術(shù)人員在工作。授時(shí)中心供圖

“3262”工程指1973年啟動(dòng)建設(shè)的長(zhǎng)波授時(shí)系統(tǒng)工程。同短波相比,無線電長(zhǎng)波信號(hào)穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng),授時(shí)精度比短波高3個(gè)數(shù)量級(jí),但技術(shù)復(fù)雜度也更高,美國(guó)和蘇聯(lián)也是在20世紀(jì)五六十年代才開始建設(shè)長(zhǎng)波授時(shí)系統(tǒng)的。蘇聯(lián)曾提議同我國(guó)共建長(zhǎng)波授時(shí)導(dǎo)航系統(tǒng),但我國(guó)領(lǐng)導(dǎo)人認(rèn)為授時(shí)系統(tǒng)必須掌握在自己手中,要走獨(dú)立自主的道路。

缺乏參考資料,中國(guó)能不能搞起來?錢學(xué)森先生在方案論證會(huì)上的講話鼓舞了大家,他說:“‘3262’工程不光是科委的需要,不光對(duì)尖端技術(shù)重要,而且與我國(guó)自然科學(xué),乃至整個(gè)科學(xué)的發(fā)展,都有關(guān)系。”

就這樣,同研制“兩彈一星”一樣,來自中國(guó)科學(xué)院、電子工業(yè)部等全國(guó)幾十家科研單位的上千名科學(xué)家、技術(shù)工人如潮水般再一次涌向陜西蒲城。這一次,通過自力更生,他們?cè)诰嚯x短波授時(shí)臺(tái)不遠(yuǎn)處建設(shè)了一座頗為壯觀的地下4層發(fā)播機(jī)房,深達(dá)25米,與地面宏大的天線系統(tǒng)一起,構(gòu)建了長(zhǎng)波授時(shí)系統(tǒng)。

分別來自北京和上海的“3262”工程技術(shù)負(fù)責(zé)人戴中溶和苗永瑞在這個(gè)時(shí)候加入了建設(shè)團(tuán)隊(duì)。

戴中溶的一生頗有傳奇色彩。他和錢學(xué)森是上海交通大學(xué)同一屆的校友,1934年畢業(yè)后被分配到西安國(guó)民革命軍,師長(zhǎng)胡宗南對(duì)這個(gè)上海來的高才生非常器重,命他組建無線電通信網(wǎng),后任機(jī)要室副主任、少將軍銜。但戴中溶在目睹了國(guó)民黨的黑暗之后萌生去意,在妹妹的幫助下成為一名紅色特工。1947年9月,由于叛徒出賣,戴中溶被捕入獄,但軍統(tǒng)特務(wù)搜遍他的住所,也沒有找到只言片語(yǔ)的證據(jù),最后被判刑10年,在監(jiān)獄中等到了解放。

1972年,任中國(guó)科學(xué)院二局副局長(zhǎng)的戴中溶,在63歲時(shí)接下了主持建設(shè)長(zhǎng)波授時(shí)臺(tái)的重任。他技術(shù)精湛、為人和善,年輕人都稱呼他“老戴”。也許是在隱秘戰(zhàn)線工作中形成的風(fēng)格,老戴做事從不張揚(yáng)、不計(jì)名利,令人欽佩。

苗永瑞則是作為科研骨干從上海天文臺(tái)被派至“3262”工程的。他曾在蘇聯(lián)天文總臺(tái)進(jìn)修過3年,對(duì)時(shí)間工作和天文觀測(cè)都非常熟悉。在他的帶領(lǐng)下,長(zhǎng)波授時(shí)臺(tái)將我國(guó)授時(shí)精度提高了1000倍。工程竣工后,苗永瑞擔(dān)任陜西天文臺(tái)副臺(tái)長(zhǎng)、臺(tái)長(zhǎng)等職,培養(yǎng)了一批科研骨干。1987年卸任臺(tái)長(zhǎng)后,由于家眷仍在上海,苗永瑞回到上海天文臺(tái)工作,1991年當(dāng)選為中國(guó)科學(xué)院院士??上於视⒉?,1999年苗永瑞因患胰腺癌去世。

葉叔華評(píng)價(jià)說:“苗永瑞為建設(shè)陜西天文臺(tái)立了大功,使我國(guó)時(shí)間服務(wù)工作既能滿足國(guó)家需要,又成為國(guó)際上重要的授時(shí)臺(tái)?!?/p>

1983年,長(zhǎng)波授時(shí)臺(tái)竣工,開始以全功率試驗(yàn)發(fā)播長(zhǎng)波授時(shí)信號(hào)。1984年,長(zhǎng)波授時(shí)臺(tái)彩車參加了國(guó)慶35周年游行,彩車上寫了幾個(gè)大字——同步精度百萬分之一秒。

要知道,這樣的時(shí)間精度是在系統(tǒng)器件國(guó)產(chǎn)化率100%的前提下取得的。整個(gè)“3262”工程,大到發(fā)射機(jī)、天線,小到二極管、電容,完全依靠我國(guó)科技工作者獨(dú)立自主研制完成。他們?cè)趪?guó)外技術(shù)封鎖的大環(huán)境下走出了一條自主創(chuàng)新之路。1988年,“長(zhǎng)波授時(shí)系統(tǒng)的建立”榮獲國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。

50多年來,從“東方紅一號(hào)”到北斗衛(wèi)星,從我國(guó)首枚運(yùn)載火箭到“嫦娥”飛天,長(zhǎng)短波授時(shí)系統(tǒng)為國(guó)家重大任務(wù)提供了可靠的高精度授時(shí)服務(wù),多次受到國(guó)家嘉獎(jiǎng)。

5 如愿

中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心時(shí)間基準(zhǔn)系統(tǒng)。李子鋒/攝

1969年,新中國(guó)成立20周年國(guó)慶前夕,有關(guān)部門曾上報(bào)我國(guó)授時(shí)工作的成就,周恩來總理看到后詢問用的什么鐘,答曰進(jìn)口鐘。周總理便說先不要宣傳,要甩掉“洋拐棍”,下決心研制先進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)鐘,趕上并超過他們。

這里提到的標(biāo)準(zhǔn)鐘便是原子鐘。與傳統(tǒng)計(jì)時(shí)儀器相比,它的先進(jìn)性邁上了一個(gè)大臺(tái)階。

20世紀(jì)50年代,美國(guó)率先提出原子鐘的概念,它以原子的共振頻率來計(jì)時(shí)。1967年,國(guó)際計(jì)量大會(huì)將時(shí)間單位“秒”的定義由此前的天文定義修改為原子定義——銫原子基態(tài)超精細(xì)能級(jí)間量子躍遷時(shí)所產(chǎn)生的電磁波,振動(dòng)9192631770個(gè)周期所持續(xù)的時(shí)間為1秒。5年之后的1972年,國(guó)際上又將通用的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間,從單純基于地球自轉(zhuǎn)測(cè)量的世界時(shí),修改為結(jié)合了原子時(shí)和世界時(shí)的“協(xié)調(diào)世界時(shí)”。

張首剛介紹,在時(shí)間科學(xué)領(lǐng)域,誰(shuí)掌握更先進(jìn)的技術(shù),誰(shuí)就處于領(lǐng)先地位、擁有話語(yǔ)權(quán)。繼美國(guó)之后,法國(guó)發(fā)明了冷原子銫噴泉鐘,將原子鐘的精度又提升了一個(gè)數(shù)量級(jí)。而我國(guó)也曾上馬過小型銫束原子鐘攻關(guān)項(xiàng)目,但因?yàn)榉N種原因未能取得成功。除了涉及多學(xué)科交叉的前沿理論外,還需要高精尖技術(shù)能力,包括材料和加工等,研發(fā)難度極高。

2004年從法國(guó)巴黎第六大學(xué)博士畢業(yè)后,張首剛回國(guó)工作,立志做出“中國(guó)制造”的銫噴泉鐘。此舉令他的法國(guó)導(dǎo)師極其不解:“你在這里已經(jīng)做了世界上最好的原子鐘,為什么還要回國(guó)?”

張首剛當(dāng)時(shí)并沒有回答,因?yàn)樗拇鸢敢苍S只有中國(guó)人才懂:“因?yàn)槲业淖鎳?guó)需要?!?/p>

回國(guó)后,為了加快研究落地的進(jìn)度,張首剛采用了同企業(yè)合作成立聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室的方式。前期研發(fā)階段,企業(yè)派駐兩名職工全程參與;后期生產(chǎn)階段,科研人員則長(zhǎng)期“泡”在企業(yè)里,指導(dǎo)研制。一次,張首剛聽見企業(yè)老領(lǐng)導(dǎo)問他們的年輕干部“什么時(shí)候能把國(guó)家需要的小銫鐘做出來”,他便知道,找對(duì)了合作企業(yè)。

小銫鐘是目前最主流的守時(shí)原子鐘,美國(guó)從20世紀(jì)50年代起就對(duì)這一技術(shù)嚴(yán)防死守,連歐洲都限制出口,中國(guó)想購(gòu)買更是困難重重。

經(jīng)過幾年摸索,2017年,張首剛團(tuán)隊(duì)與企業(yè)合作,基于新理論和新技術(shù),研制出國(guó)際首款激光抽運(yùn)小銫鐘產(chǎn)品,性能比美國(guó)產(chǎn)品還要好,除了裝備我國(guó)的時(shí)間、導(dǎo)航、5G通信等系統(tǒng)外,還出口到歐洲。

2018年,美國(guó)宣布對(duì)中國(guó)徹底禁售小銫鐘。幸好,我們提前啃下這塊“硬骨頭”,避免了一次“卡脖子”。

此外,團(tuán)隊(duì)還研發(fā)出性能先進(jìn)的冷原子銫噴泉基準(zhǔn)鐘、冷原子鍶光鐘、世界上體積最小的高性能芯片原子鐘,以及除美國(guó)外,只有我國(guó)研發(fā)出的銣原子噴泉守時(shí)鐘。

如今在授時(shí)中心,有40多臺(tái)不同類型的守時(shí)原子鐘連續(xù)運(yùn)行,綜合產(chǎn)生著穩(wěn)定的“北京時(shí)間”,并通過銫噴泉基準(zhǔn)鐘自主校準(zhǔn)?!艾F(xiàn)在,世界上除了美國(guó),就只有我們中國(guó)擁有產(chǎn)生國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的所有核心設(shè)備的研發(fā)能力。我們可以不受外界干擾,自主保持‘北京時(shí)間’的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性?!睆埵讋傉f。

2018年,國(guó)際權(quán)重和度量局致函授時(shí)中心,表示其“具有發(fā)達(dá)的守時(shí)能力,時(shí)間偏差穩(wěn)定保持在5納秒之內(nèi),已經(jīng)進(jìn)入國(guó)際領(lǐng)先行列”。而如今,這一偏差已經(jīng)穩(wěn)定在2納秒之內(nèi),位列全球前三,且偏差還在持續(xù)減小。

張首剛表示,世界時(shí)除了能提供標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間外,還是實(shí)現(xiàn)地球坐標(biāo)系與天球坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換的重要參數(shù),可以說是一種戰(zhàn)略資源。20世紀(jì)90年代,我國(guó)在應(yīng)用西方主導(dǎo)的聯(lián)測(cè)數(shù)據(jù)后停止了自主測(cè)量,結(jié)果在后來的幾次航天發(fā)射和軍事活動(dòng)中,都“巧遇”國(guó)外數(shù)據(jù)無法下載的情況?,F(xiàn)在,授時(shí)中心建成我國(guó)自主的世界時(shí)測(cè)量與服務(wù)系統(tǒng),滿足了國(guó)家需求,實(shí)現(xiàn)了“北京時(shí)間”產(chǎn)生的科技自立自強(qiáng),并正在建設(shè)更為先進(jìn)的星地交叉立體國(guó)家授時(shí)體系。

展望未來,國(guó)際上公認(rèn)的光鐘也許會(huì)取代銫原子鐘,重新定義時(shí)間單位“秒”?!肮忡姳蠕C原子噴泉基準(zhǔn)鐘的精度還要高兩三個(gè)量級(jí),達(dá)到運(yùn)行幾十億年誤差不到1秒?!睆埵讋偙硎?。

面對(duì)這樣一個(gè)改寫教科書的機(jī)會(huì),世界各國(guó)都在加緊研發(fā)。

2022年10月31日,我國(guó)空間站夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙順利發(fā)射,其搭載的由3臺(tái)鐘組成的世界首套空間原子鐘組,其中就包括世界上第一臺(tái)空間光鐘。中國(guó)科學(xué)院的建制化優(yōu)勢(shì)再次得到充分發(fā)揮,十幾家單位、200多人、歷時(shí)10余年的通力合作,共同研制出空間站高精度時(shí)頻實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

歷時(shí)近半個(gè)世紀(jì),重溫周恩來總理甩掉“洋拐棍”的愿望,如果時(shí)間會(huì)說話,它應(yīng)該會(huì)說:這盛世,如你所愿。

(原載于《中國(guó)科學(xué)報(bào)》?2024-03-07?第3版?專題)

(責(zé)任編輯:侯茜)

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