王育竹: 一生只为打造最精准的“定时神钟”

□江庆龄 李晨阳

字数:2934 2024-05-01 版名:文化


  1957年11月,毛泽东主席到访苏联,在莫斯科大学接见中国留学生。在汹涌的人潮中,有一个25岁的河北小伙子,苦于挤不到前排,他灵机一动,攀上了礼堂高高的窗台,为自己争取到一个更好的视野。
  这个小伙子叫王育竹。
  “世界是你们的,也是我们的,但是归根结底是你们的。你们青年人朝气蓬勃,正在兴旺时期,好像早晨八九点钟的太阳。希望寄托在你们身上。”听了毛主席的话,他无比震撼。
  光阴荏苒,如今的王育竹已经是中国科学院院士。他当然不再是早晨八九点钟的太阳,但他把这一生的光芒都献给了祖国、献给了党。
  作为中国原子钟的开拓者之一,他负责研制成功我国第一台铷原子钟,并已用于多项重要国防任务,其中安装在“远望号”测量船上的铷原子钟,保证了历次卫星的发射成功。他带队研制的空间冷原子钟则随天宫二号发射升空,成为九霄之上最精准的“定时神钟”。
  “小作坊”造出原子钟
  王育竹一生的学术成果堪称厚重,如果只用一句话概括,那就是做出更好的原子钟。
  原子钟,顾名思义,是利用原子在不同能量态之间跃迁时吸收或发射的电磁波来计时。由于这种电磁波周期非常稳定,原子钟成为目前世界上最精准的计时工具,在国防军事、定位导航、航空航天等领域都发挥着极其关键的作用。
  1955年,路易斯·埃森(LouisEssen)和杰克·帕里(Jack Parry)在英国国家物理实验室建造了第一台可靠的铯原子钟,用于校准石英振荡器的频率。6年后,王育竹从苏联回国,入职中国科学院北京电子所。他在博士期间工作的基础上,白手起家建立实验室,并于1964年成功研制出钠原子钟实验室装置。
  1963年,中国科学院决定将北京电子所和长春光机所的部分研究室组成新的研究所——中国科学院光学精密机械研究所上海分所(现为中国科学院上海光学精密机械研究所)。王育竹和他的实验室成员集体迁往上海,从此在这里扎下根来。
  不久后,王育竹得知国外成功研制出性能优越的铷原子钟,但该技术对中国封锁。他非常清楚铷原子钟在导航、定位技术中的重要地位,于是从1965年开始独立自主研制铷原子钟。
  那是一段漫长而艰难的历程。彼时,我国没有可以用于制造原子钟的铷原子同位素,王育竹团队几经周折,终于利用初建的装置分离出同位素。由于受当时历史背景的影响,王育竹的研究工作几次中断,前后花了4年时间,才研制出铷原子钟的关键部件和所需要的测试设备。
  1970年,中国科学院提出“开门办所”的方针。38岁的王育竹带领频标组,下工厂接受工人阶级“再教育”,入驻上海国荣灯具厂。这是一个制造漆包线的小工厂,工作环境和条件极差,他们在工厂厨房的小阁楼里搭建起原子钟实验平台,和工人师傅一起开始了研制工作。
  利用王育竹提出的3项关键技术,团队经过7年的刻苦攻关,先后研制了三代铷原子钟样机,性能一代比一代强,达到了当时的国际水平。
  他们研制的铷原子钟先后参加并完成多项国防任务,包括超长波导航、潜艇导航、基地台站间的时间同步、远程导弹及通信卫星发射、国家原子时系统等,且顺利完成了“远望号”测量船原子钟任务,先后经历两次出海考验。
  王育竹至今记得,1982年,我国向全世界发出通告,要向指定海域发射火箭。得知“远望号”测量船即将出海,他心中十分紧张,直到“发射成功”的喜讯传来,王育竹才如释重负,激动得热泪盈眶,深感为祖国的国防事业作出了一份真正有价值的贡献。
  与诺奖擦肩而过?他这样说
  1997年,朱棣文、威廉·菲利普斯(WilliamPhillips)和科昂·塔努吉(CohenTanhoudji)因在激光冷却气体原子研究工作中的突出贡献而获诺贝尔物理学奖。
  此时人们猛然间发觉,王育竹提出的激光冷却气体原子的物理思想与现在使用的机制是一致的,但由于种种原因,王育竹距诺贝尔奖只差一步。
  要说清楚如何“与诺奖擦肩而过”,得把时间拨回到20年前。
  1977年,完成铷原子钟任务后,45岁的王育竹回到中国科学院上海光学精密机械研究所,寻找下一步的研究方向。就在这时,他关注到著名物理学家阿瑟·肖洛(Arthur Schawlow)和西奥多·汉斯(Theodor Hansch)于1975年发表的一篇论文。文中提出了激光冷却原子的多普勒冷却机制,并推算出利用这种机制最低可将钠原子冷却到240μK,这个温度也被称为“多普勒极限”。
  原子钟的精确度受限于原子的热运动速度,如果降低原子的温度,将大幅提高原子钟的精度。王育竹当即认识到冷原子对原子钟研究将产生革命性影响,决心投入到激光冷却气体原子的研究中。
  1979年,在理解了激光冷却气体原子与多普勒频移的关联后,王育竹提出了几个与多普勒效应相关的激光冷却气体原子机制的建议,其中“积分球红移漫反射激光冷却气体原子”与菲利普斯在1983年的工作相似。但限于条件,王育竹直到1993年才完成积分球激光冷却原子束的实验。又过了15年,团队终于实现了从87Rb背景气体中直接冷却原子,获得了109量级的冷原子气体,最低气体温度达25μK。
  也是在1979年,王育竹开始从一个新视角思考激光冷却气体原子的物理机制。经过深入思考,王育竹提出了不同于多普勒冷却机制的新冷却机制——利用交流施达克效应(光频移效应)激光冷却气体原子。这又与朱棣文和塔努吉在1989年提出的低于多普勒冷却极限的西西弗斯冷却机制一致。
  这是国际上首次提出将光频移效应用于激光冷却气体原子的机制。但是1980年在中国科学院上海光学精密机械研究所参与组织的国际激光会议上,一位国外科学家并不认同这个冷却机制。
  王育竹提出有关激光冷却气体原子新设想的时间,比国外早了5至10年,但限于当时的实验条件,没有在实验上实现。
  回顾这些往事,王育竹从未因为错过诺贝尔奖而怅然。他更为介怀的,是时代背景下开展基础研究工作的艰难,以及当时中国人在国际学术界受到的轻视。
  托起“八九点钟的太阳”
  王育竹不仅是一位开拓进取的学者,也是一位桃李满园的师者。当初冷清孤寂的冷原子研究领域,如今早已人才济济。动辄数百人参与的学术会议上,绝大多数参会者要么出自王育竹门下,要么曾在他的实验室学习过。
  “王先生是一位非常平和的老师,他十分看重年轻人对研究的兴趣。”中国科学院上海光学精密机械研究所研究员魏荣说。他最初没有被分配到王育竹的课题组,但对组里的研究方向很感兴趣。他的一个好友恰好在王育竹门下学习,表示愿意和他交换课题组,还把这件事告诉了王育竹。没过多久,魏荣就受到王育竹的邀请去参观实验室。魏荣说,“王先生就是这样,他觉得你对这个方向真的感兴趣,就很愿意把你招进来。”
  2002年3月,王育竹实验室利用为数不多的经费,实现了中国第一个铷原子稀薄气体的玻色-爱因斯坦凝聚态(BEC),诞生了一种新物态,使中国成为世界上第11个、亚洲第2个拥有新物态的国家。当国际BEC网站上飘扬起五星红旗时,王育竹万分振奋。
  “国家需要你们!”2006年,在恩师王育竹的召唤下,刘亮放弃了美国的高薪工作,回到中国科学院上海光学精密机械研究所,很快领导成立了空间冷原子钟团队。团队攻坚克难,取得了一系列成果——2010年,完成空间冷原子钟原理样机的研制和地面科学实验论证;2011年,空间冷原子钟实验计划正式进入工程样机的设计与研制阶段;2016年,国际上第一台在轨进行科学实验的空间冷原子钟搭乘天宫二号被发射到太空,其精度高达3000万年,误差小于1秒。
  光阴荏苒,当年那位攀上窗台、眼中有光的青年已步入耄耋之年,但冷原子学科的研究队伍却日益壮大、风华正茂。这是最让王育竹欣慰的事——每一个人都会老去,但他在有限的年华里,为祖国的科技事业托举起了更多“八九点钟的太阳”。
  (据《中国科学报》,有删节)