標準時間如何產生?揭秘守護“北京時間”的硬核團隊
白駒過隙、一日三秋、天長地久……時間,承載了人們(men) 對韶光易逝的感慨,也見證了那些浪漫的期待與(yu) 不朽的功勳。
時間,對於(yu) 另外一群人而言,還有著更為(wei) 重要的意義(yi) 。它不僅(jin) 是國家戰略資源,事關(guan) 國家安全和經濟社會(hui) 運行,更是國家話語權的體(ti) 現。
“十三五”期間,我國投資16.7億(yi) 元,研製建設高精度地基授時係統國家重大科技基礎設施,“這是時間頻率領域在新時代的大科學裝置,建成後的全國光纖授時骨幹網將實現國際最高水平的時間頻率傳(chuan) 遞能力,支撐經濟社會(hui) 運行和相關(guan) 基礎研究等。”中國科學院國家授時中心主任、首席科學家張首剛說。
近20年來,張首剛一手建立起來的中國科學院國家授時中心量子頻標研究團隊,已擁有近百名中青年科研人員。他們(men) 始終著眼國家需求和經濟社會(hui) 發展,以實現國家標準時間產(chan) 生的自主可控與(yu) 性能提升、國家標準時間發播的安全可靠與(yu) 便捷應用為(wei) 己任,攀登一座又一座科研高峰,推動時間頻率科學實現自立自強。
實現國家標準時間產(chan) 生的自主可控
“鐺、鐺、鐺……現在是北京時間9點整。”清脆的聲音從(cong) 陝西省西安市臨(lin) 潼區中國科學院國家授時中心大門上方的一塊大鍾表發出。我們(men) 日常使用的國家標準時間“北京時間”,就是從(cong) 這裏產(chan) 生並發播到全國各地。
看似尋常最奇崛。在國際單位製的七個(ge) 基本物理量中,時間是測量精度最高、應用最廣的一個(ge) 。1967年,為(wei) 提高時間測量精度,第十三屆國際計量大會(hui) 修改了時間單位“秒”的定義(yi) ,以反映地球自轉狀態的天文時“秒”,變更為(wei) 以原子內(nei) 部電磁振蕩周期計時的原子時“秒”。
“近代中國,標準時間的產(chan) 生和傳(chuan) 遞曾長期被外國人主導並把持。”張首剛說,一個(ge) 國家是否能研製出擁有自主知識產(chan) 權的原子鍾,不僅(jin) 代表著相關(guan) 領域的科研實力,更代表著保障國家安全的能力水平。
“1998年,一名西方國家的知名物理學家在中國參觀後,認為(wei) 中國的原子鍾實驗研究過程是在靠‘碰運氣’。”張首剛回憶,自己被這句話深深刺痛,立誌要做出一台長中國人誌氣的原子鍾。
2005年,張首剛從(cong) 法國學成回國後,隻身來到國家授時中心,創建團隊,主持原子鍾研發與(yu) 標準時間研究。
“最初的課題組包括張老師在內(nei) ,隻有3個(ge) 人研製銫原子噴泉鍾,當時國家授時中心沒有任何原子鍾研究基礎,研究過程非常艱辛。”作為(wei) 張首剛回國後指導的第一個(ge) 研究生,阮軍(jun) 全程參與(yu) 了銫原子噴泉鍾的研製。
如何減少微波泄露,一度成為(wei) 團隊最頭疼的問題。“經過多次研討和大量實驗,我們(men) 最終選擇了通過銦絲(si) 密封6處接口等技術。”阮軍(jun) 介紹,“僅(jin) 僅(jin) 這一個(ge) 環節,就花費了我們(men) 一年半的時間,而一台原子鍾的製造,要經曆成百上千個(ge) 類似這樣的精細環節。”
銫原子噴泉鍾是目前世界上最好的基準型原子鍾,“從(cong) 2005年到2012年,張首剛團隊終於(yu) 自主研製出了國家授時中心第一台銫原子噴泉鍾;2018年和2022年,第二、三台銫原子噴泉鍾相繼被研製出來。”阮軍(jun) 介紹,目前課題組已發展成9人,團隊人員學科背景也更為(wei) 合理,銫原子噴泉鍾的性能也在持續提升,精度也從(cong) E-15量級提升至E-16量級,實現國家標準時間產(chan) 生的自主校準。
國家標準時間是原子時和天文時的協調產(chan) 物,協調了原子鍾測量的原子時和天文觀測係統測量的世界時。產(chan) 生國家標準時間不僅(jin) 需要基準型原子鍾,也需要守時型原子鍾。小銫鍾是各國守時應用最多的原子鍾,美國一直獨家壟斷,並對我國禁運。張首剛團隊應用新原理,與(yu) 企業(ye) 合作研發了國際第一款守時型光抽運小銫鍾產(chan) 品,百餘(yu) 台產(chan) 品用於(yu) 海軍(jun) 導航、北鬥導航、5G通信以及北極科考等。團隊繼美國之後,也成功研製更高性能的新型守時鍾—銣原子噴泉鍾。研發的兩(liang) 類新型守時原子鍾,均運行於(yu) 國家標準時間產(chan) 生係統,並對國際標準時間產(chan) 生作出貢獻。基於(yu) 地球自轉測量的世界時是航天工程及國防建設必要參數。為(wei) 打破我國世界時數據一直依賴國外的不利局麵,團隊提出並實現了多技術融合的世界時高精度連續自主測量與(yu) 服務。
“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(hui) 上碰到我時,對中國在時頻領域所取得的成就表示了肯定和欽佩。”再說起這件事,張首剛的嘴角不自覺地上揚了起來。
打造時間頻率科學的“國家隊”
近年來,黨(dang) 中央、國務院高度重視大科學裝置建設,將其視為(wei) 提升我國基礎研究和應用研究水平、促進相關(guan) 領域國際科技合作的重要支撐。大科學裝置是否能帶動建製化基礎科學研究,關(guan) 鍵要看人才隊伍是否持續發展。
“國家授時中心非常重視人才,盡最大努力給人才搭建事業(ye) 平台。”量子頻標研究室研究員董瑞芳說,“2010年,我來到單位後,因為(wei) 是開拓一個(ge) 新方向,前期沒有任何基礎,單位一下子給我撥了150萬(wan) 元項目啟動經費,支持我開展科研工作。”
目前,董瑞芳已經成為(wei) 量子頻標研究室的主任,主要從(cong) 事量子時間同步研究工作,主持承擔了國家自然科學基金重點和麵上項目、中國科學院前沿重點及科研裝備研發等項目。
在積極吸納海內(nei) 外優(you) 秀人才的同時,國家授時中心也在依托中國科學院積極培養(yang) 人才。董瑞芳除了開展自身的科研工作,還是中國科學院博士生導師,指導培養(yang) 了多名研究生,為(wei) 研究的可持續發展奠定人才基礎。如今,量子頻標研究室已擁有近百名中青年科研人員,發展成為(wei) 中國科學院重點實驗室,並被中國科學院推薦參加全國重點實驗室重組。
“2018年開始,為(wei) 了加大人才引進力度,我們(men) 專(zhuan) 門設立了‘人才伯樂(le) 獎’,鼓勵員工積極推薦海內(nei) 外高層次人才和學術帶頭人,積極推薦並成功引進人才後,會(hui) 為(wei) 推薦者發放最高3萬(wan) 元的獎金。”國家授時中心人事處處長呂鵬綱介紹。
2022年初,博士畢業(ye) 不到兩(liang) 年的陳龍、張攀通過專(zhuan) 家團隊綜合評審,分別被委以空間超窄線寬激光器子係統主任設計師和空間飛秒光學頻率梳子係統副主任設計師的重任,經過艱苦攻關(guan) ,中國科學院國家授時中心承研的空間超窄線寬激光器和空間飛秒光學頻率梳在2022年11月8日首次上電測試即實現了自動閉環鎖定,標誌著世界首台空間超窄線寬激光器成功在軌運行。
不拘一格用人才的同時,國家授時中心也對人才能力與(yu) 待遇的匹配度進行考核監督,全力打造時間頻率科學的“國家隊”。“這個(ge) 考核監督體(ti) 係給了我們(men) 年輕人幹事創業(ye) 的機會(hui) 和平台,同時督促著我們(men) 任務完成的進度和質量。”陳龍說。
“國家隊”就要擔“國家責”
一秒鍾,是手表秒針的一聲“滴答”。秒以下的時間按千分之一逐級遞減,還有毫秒、微秒、納秒、皮秒、飛秒、仄秒等時間單位。
實現高精度時間測量,有何意義(yi) 呢?
簡單地講,有了毫秒級的時間,電網可以高效運行;有了微秒級的時間,移動通信可以進入4G時代;有了納秒級的時間,衛星導航才能提供常規服務;有了皮秒級的時間,一些理論是否正確就有了檢驗的可能……
“1納秒是十億(yi) 分之一秒。2017年以來,北京時間與(yu) 國際標準時間的偏差一直在減小,從(cong) 原來的5納秒到現在的2納秒,位居國際前三。”張首剛介紹。產(chan) 生高性能的國家標準時間是為(wei) 了授時發播,是為(wei) 了服務不同應用需求。授時係統是國家重大基礎設施。我國建立了國際先進的多手段授時係統。麵向未來需求,張首剛提出了天地一體(ti) 化的國家彈性授時體(ti) 係架構,並帶隊逐步建設。2022年10月31日,夢天實驗艙載著高精度時頻實驗櫃飛上了太空。“有了這個(ge) 實驗櫃,天宮空間站時頻實驗係統將融合北鬥導航係統、在建地基授時係統和現有的授時係統,預計在5年內(nei) ,我們(men) 將建成世界上獨一無二的天地融合、立體(ti) 交叉的國家授時係統。”張首剛說。
“我們(men) 正在加快建設空天地立體(ti) 交叉授時係統,著重往深空探測的方向發展,這個(ge) 係統建成後,長距離、跨區域重大設施之間的時間同步精度可以提高四個(ge) 到五個(ge) 數量級,對科學研究和國家安全意義(yi) 重大。”國家授時中心黨(dang) 委書(shu) 記竇忠介紹,“對於(yu) 大眾(zhong) 來說,這同樣是個(ge) 利好消息,將來我們(men) 的生活會(hui) 更加便利,數字通信、無人駕駛、智慧城市等的建設會(hui) 進一步加快。”
目前,國家授時中心在時間頻率領域培養(yang) 了一支從(cong) 時間頻率產(chan) 生、測量、傳(chuan) 遞到應用的全學科、成建製的人才隊伍,並通過一批批重大項目的高強度曆練,培養(yang) 了很多中堅骨幹力量,為(wei) 我國授時體(ti) 係發展儲(chu) 備了人才基礎。
“國家利益延伸到哪裏,我們(men) 的授時服務就拓展到哪裏。”張首剛表示,“國家人”就要做“國家事”,“國家隊”就要擔“國家責”,隨著需求的發展,他們(men) 會(hui) 將授時服務延伸到深空、深海。
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