【中國科學報】追求30億年不差1秒的精度

2020-12-07 中國科學院

①鍶原子光鍾裝置

②國家原子時比對測量系統

③授時天線

中國科學院時間頻率基準重點實驗室供圖

　　如今，電子商務網站會定期發布一些價格低廉的商品，往往一上架就被搶購一空，有時只用一秒鐘，於是有了「秒殺」這一銷售噱頭。

　　在人類日常生活中，當時間精確到秒時，已經讓人感覺很短暫，然而在很多領域，可能還需要使用更精確的時間，比如百分之一秒的差別將決定田徑運動員勝負、炮彈的發射精度需要達到千分之一秒、雷達甚至需要百萬分之一秒的時間精度，這就要不斷地提高計量時間頻率的精度。

　　中國科學院時間頻率基準重點實驗室正在為更高精度的時間而努力，同時他們還需要傳遞和保持產生的時間。

　　守候時間30年

　　時間頻率基準重點實驗室首席研究員董紹武在自己的崗位上工作了整整30年。記者是在一個裝滿儀器的實驗室裡見到董紹武，後來才知道實驗室裡那些儀器上跳動的紅色數字就是中國標準時間。

　　這些時間並不是完全相同，經董紹武介紹，其中既有中國標準時間——北京時間，也有國際原子時，還有協調世界時，也叫格林威治時間，協調世界時UTC是當前的國際標準時間，與北京時間相差8小時。目前的世界時通過地球自轉測量獲得，比原子時慢35秒。

　　董紹武介紹，從1958年1月1日開始，原子鐘時間與地球自轉時間對準，但因為地球自轉的減慢，導致1秒的長度發生變化，不再「準時」，於是就需要隔一段時間人為給原子鐘時間增加或減少1秒，即閏秒。

　　別小看了這樣1秒，在通信、證券、航空、地震勘探等領域，這1秒的影響無法忽視。尤其是在航天領域裡，飛船1秒就要飛將近8公裡的路程，可謂失之毫釐謬以千裡。

　　因此，在董紹武的實驗室裡還有我國北鬥時間和美國GPS時間，雖然他們與協調世界時間不一致，但卻是自己領域裡的參考時間。

　　目前，時間頻率基準重點實驗室採用23臺銫原子鐘和3臺氫原子鐘組成守時鐘組，之所以有兩種原子鐘，董紹武指出，因為銫原子鐘長期穩定性好，但短期波動性較大，而氫原子鐘短期穩定性好，長期則有頻率漂移。結合使用，可以保障原子鐘產生的時間在長短期內保持穩定。

　　「相比時間的產生，守護時間更難。」董紹武說，「我們的實驗室既要產生我國的標準時間——北京時間，還需要將產生的北京時間與國際標準計量院BIPM的標準時間進行比對。國際標準時間也有我們的貢獻，我們是國際原子時的重要實驗室之一。」

　　董紹武每天的工作就是守護好實驗室裡這些儀器上跳動的數字。守時30多年來，最讓他欣慰的是這些跳動的時間數字從來沒有發生異動，一直準確、穩定地為國家服務。

　　用愛傳遞時間

　　在時間頻率基準重點實驗室裡，有一對研究員夫妻，他們先後在德國馬普所和丹麥從事科研工作，後來決定回國，來到時間頻率基準重點實驗室。

　　妻子董瑞芳原先從事量子光學和量子信息學的研究，回國後沒有延續原來的研究，而是沿著量子光學和時間頻率的交叉學科，開展前沿性研究，探索最高精度的時間傳遞。

　　丈夫劉濤延續了博士和德國博士後研究方向，工作內容變化不是很大，不過他笑談：「自己是時間的生產者，妻子則是時間的傳遞者。」

　　時間頻率基準重點實驗室主任張首剛說：「劉濤從事的是眼下可以投入應用的研究，而妻子董瑞芳開展的是未來前沿工作。」

　　回國前，劉濤曾兩次回國考察國內情況，最終選擇了位於西北小縣城的國家授時中心，加入時間頻率基準重點實驗室，並且還根據國家需求調整了自己的研究方向。張首剛對他倆的評價很高：「從出國到回國，放棄大城市，來到我們這裡，面對一系列艱苦的條件，他們都沒有抱怨。」

　　「相比德國的科研氛圍，儘管國內會存在一些不足，但我們還是看到了進步的地方。」董瑞芳告訴記者，「我們這裡的平臺比國內其他地方還是很不錯的，這也是我們願意留下的原因。」

　　做自己的實驗

　　與劉濤夫婦一樣，姜海峰博士也是從國外回來，他先在法國取得博士學位，然後去了美國學習和工作，研究專長在儀器領域。

　　因為剛回國不久，姜海峰自己的實驗室還在建設中，國家授時中心科研樓前擺放的工程材料，就是為給這位新進研究員搭建實驗平臺使用。

　　不同於劉濤董瑞芳夫婦，姜海峰是自己孤身來到時間頻率基準重點實驗室，妻子和孩子則遠在上海。他的情況跟實驗室主任張首剛相似，都是為了工作而與家人分居兩地。

　　姜海峰坦言，從實驗條件比較，這裡遠不如自己在美國的實驗室。然而，在國外漂了那麼多年，取得了一定的成果，作為炎黃子孫，希望回國能夠繼續從事喜歡的實驗和科研工作，成就一番自己的事業。

　　在很多回國科研人員的眼中，相比10年前，我們的科研條件已經有很大進步。儘管目前我國的時間頻率研究據國外先進水平尚有一定的差距，但我們在努力，總有值得期待的那一天。

　　張首剛指出：「擺鐘一天快慢為千分之一秒；我們研究的光抽運小銫鐘精度可達30萬年不差1秒，銫原子噴泉鍾精度可達3000萬年不差1秒；未來還將研製出30億年不差1秒的光鍾。」

　　這些都需要不懈的努力來實現。「從實際待遇上我們可能競爭不過國內其他的科研單位，但我們能給的是國內最好的實驗條件和寬鬆的氛圍，讓科研人員在些實現科研理想。」張首剛說。

　　（原載於《中國科學報》 2013-10-22 第8版 平臺)

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