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中国科学家打造太空最准的原子钟

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原标题:打造太空最准的原子钟——专访中科院上海光机所量子光学重点实验室主任刘亮

新华社北京10月31日电(记者杨春雪 喻菲)51岁的科学家刘亮花了十年的时间研究时间,却每天都觉得自己没有时间。

身任中国科学院上海光机所量子光学重点实验室主任的他,要么是在出差,要么就是过着实验室和家“两点一线”的生活,节假日也鲜有空闲时间,甚至“这些年的春节几乎都是在实验室过的”。

最近,他的追求终于有了阶段性成果:他牵头研制的冷原子钟随着天宫二号空间实验室被发射到太空,成为人类历史上第一台在轨进行科学实验的空间冷原子钟。

这是一台没有秒针、分针、时针且其貌不扬的黑色圆柱体,却能在太空中发射极为精准的时间频率基准。

冷原子钟照片。新华社发

  冷原子钟照片。新华社发

刘亮每每提到这台自己带领团队用心血铸成的冷原子钟都充满激情:“这是目前在太空运行的世界上性能最好的原子钟。”

他说,如果说机械表1天大概有1秒误差,石英表1天大概有0.1秒误差,氢原子钟数百万年有1秒误差,那么冷原子钟则可以做到三千万年到三亿年没有误差。

据介绍,太空有了这样一台原子钟之后,就有了更高精度的时间基准,可以同步所有其他原子钟,让导航定位系统更加精确,进行广义相对论验证,还可以发展一系列的基于冷原子技术的器件、装置,比如探测引力波的装置,进一步进行深空探测。

尽管时间是他最熟悉的事物,但提到“时间”这个词,刘亮总是心生敬畏,认为时间是最不可理解的,是人们最熟悉也是最不熟悉的事物。“大家说时间说得很多,经常说几小时几分钟几秒钟,但谁也不知道时间是什么”。

“我们做的这些事情不过是测量时间,给时间定标,而不是研究时间的本质。”他说,希望通过他们的研究慢慢可以更多地了解时间和空间,例如时间究竟从什么时候开始的?空间有没有一个原点?时空有没有结构?时空需要量子化吗?……他一口气列举了一连串的问题。

(小标题)一秒不差

刘亮手上带着一块特殊的手表——电波表。这只表具有自动对时功能,使得它长年保持着精准的时间。

“这只表接收长波信号,每天晚上都会自动校准一次,与国家授时中心长波台发射的时间保持一致。”他说。

“在日常生活中,我们做原子钟的人对时间都要求很精准。”刘亮说,“项目要求什么时候完成,我们就必须什么时候完成,几天几夜不睡觉也得完成,这是必须的。”

刘亮带领的这支约30人的团队在研制冷原子钟过程中常遇到的困难恰巧也是时间的期限。他回忆最艰难的一次经历是在做初样时,信号总是出不来。“当时,项目总体部门规定如果信号比预定的时间晚一天出来,那么这个项目就可能要放弃了”。

“那时我们没日没夜在实验室一样一样查,一点一点查,每一个部件都查过了,大年三十也在加班,终于在规定的最后一天把信号调出来了。”他说,“其实是由于一块小小的磁铁碰撞导致了退磁引起的。”

刘亮2008年在原理样机旁拍摄的工作照。新华社发

  刘亮2008年在原理样机旁拍摄的工作照。新华社发

(小标题)归国求梦

刘亮在少年时期就表现出对科学的热爱,15岁上大学把物理学研究当作一生的追求,19岁读硕士,师从中国量子光学专家王育竹院士。此后,他出国深造,在美国获得博士学位。

2005年底,在上海光机所和王育竹院士的极力引进下,刘亮回到曾经求学和工作的地方——中国科学院上海光学精密机械研究所量子光学重点实验室。

“王先生年龄大了,早年他建立了一个量子光学实验室,希望有人来帮助他做事情。王先生叫我回来,我就回来了。”刘亮说。他回国接替王先生做空间冷原子钟,一做便是十年。

“对我来说,从事空间项目是一项巨大的挑战。”刘亮说,“空间项目完全颠覆了以往我从事基础研究积累的知识和经验,所以我是从头做起的。”

刘亮2016年9月在酒泉发射场拍摄的工作照。新华社发

  刘亮2016年9月在酒泉发射场拍摄的工作照。新华社发

刘亮认为,中国即将在2020年左右建成的空间站为冷原子物理研究提供了难得的机遇,“因为我们的实验要依赖于微重力,所以空间站对我们来讲几乎是最好的平台”。

(小标题)没有最准,只有更准

空间冷原子钟被放置在天宫二号的密封舱中,而在距离该飞行器近400公里的地面,刘亮的团队无时无刻不在为这台钟忙碌着。

“不是说冷原子钟做好了放到太空一通电就可以直接使用了,而是需要每天做海量繁复的工作。”刘亮说,“激光要调到准确位置,才能把原子冷却下来抓住,再用激光把它推出去,然后还需要在合适的时间之内打开微波,在合适的时间关掉微波;在合适的时间打开激光,在合适的时间返回信号……这一切都需要不断调整。”

对于不断追求“没有最准、只有更准”的科学家,现阶段的成果还远远不足以满足他们对科学的孜孜追求。

刘亮说,天宫二号是所有实验的第一步,未来空间站上还会放置一台氢钟、一台冷原子钟、一台光钟——三台原子钟结合起来的时间系统,在那个更大的系统里面可以做更多科学实验。

冷原子钟狂想图。贺萌制图

  冷原子钟狂想图。贺萌制图

人类从开始计量时间起经历了很多阶段,从最简单的日出而作、日落而息到日晷、摆钟、石英钟,再到原子钟、冷原子钟,刘亮细数道:“可能再过若干年就发展到光钟、甚至原子核钟。”

“我们的终极目标是制造出在整个宇宙的生命周期内永远不会走偏一秒的时钟。”刘亮说。

(原标题:中国科学家打造太空最准的原子钟)

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