作者:江庆龄,李晨阳 来源:中国科学报 发布时间:2024/1/29 8:47:29
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王育竹:一生只为打造最精准的“定时神针”

 

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。虽然他此刻能看到敬爱的毛主席了,却听不懂主席的湖南方言。这可把他急坏了,连忙请身边的同学帮忙“翻译”。
终于听明白这番话时,他感到了深深的震撼:“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。”
话语中包含的殷切期望,照亮了王育竹内心最深处。他急切盼望着,能为祖国的建设事业贡献一份力量。
光阴荏苒,今天的王育竹,已经是92岁高龄的中国科学院院士。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“定时神针”。 
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王育竹  中国科学院上海光学精密机械研究所供图

“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(Louis Essen)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。
1969年9月,周恩来总理提出丢掉“洋拐棍”、建立中国“原子时”的决策,铷原子钟的研制工作逐步步入正轨。
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:“何时发射、发射到什么位置以及要测量和时间有关的数据,都要求有很好的时间同步,如果原子钟出问题,那整个发射工作就难以进行了。”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。
“王先生的心时刻跟随这项国家重大任务,之后‘远望号’每次出海,他都记挂着原子钟是不是在正常工作。”中国科学院上海光学精密机械研究所副研究员徐震说,“一直到‘远望号’退役,原子钟都在很好地为国家服务,对此,王先生非常欣慰。”
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青年王育竹。

“与诺奖擦肩而过”?他这样说

1997年,朱棣文、威廉·菲利普斯(William Phillips)和科昂·塔努吉(Cohen Tanhoudji)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。“铷原子钟物理机制中有光频移问题,既然多普勒频移可用于激光冷却气体原子,为什么光频移不能用于激光冷却气体原子呢?”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。肖洛在1979年访问王育竹的实验室时,对他提出的新冷却机制表示了赞同:“这个思想是新的、合理的,表达是直接的和清晰的,我建议你发表。”在他的鼓励下,王育竹先后在两本国产期刊《科学通报》和《中国激光》上阐述了相关物理思想。
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。王育竹回忆当时的情景:“他就当场打压、批评你,说这不行,真是霸气得不得了。”
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。1998年,朱棣文访问中国科学院上海光学精密机械研究所并参观王育竹实验室时,曾问他为何没有早些开展实验,王育竹无奈解释:“我没条件。”
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。
面对媒体上的种种叹惋,王育竹只是淡淡地说:“谈论诺贝尔奖问题没有意义,但是,回忆走过的路程、记录真实情况,会使我们更重视系统的基础科学研究,更加珍惜现在的研究工作。”
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王育竹在实验室指导学生。

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。“我当时很激动,但也很忐忑。后来王先生就给我当时的导师打了电话,安排我们两个人换组了。”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。”
徐震也有类似的经历。他备考博士研究生时发挥失常,原以为要与学术生涯说再见了。没想到王育竹主动询问他哪里没考好、以后想做什么。看出徐震是真心喜欢科研,王育竹便请他来课题组工作,后来帮助他在职读了博士学位。
在中国科学院上海光学精密机械研究所研究员吕德胜看来,王育竹在教育中所传达的精髓,除了对科研的热爱外,就是做任何事都要从国家利益出发。
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,从不在乎个人名利的王育竹,在那一刻非常振奋。
对待财物,王育竹既慷慨又“抠门儿”。遇到各种灾情疫情,他往往是所里捐款最多的人。但实验室里哪怕几毛钱一个的小物件,他也格外珍惜,不许学生随意丢弃。用他的话说就是,没有人有权利浪费国家一分钱!
在王育竹的潜移默化下,他的学生同他一样,心系“国家事”,肩扛“国家责”,不断推动原子钟研究的发展。
空间冷原子钟是原子钟发展的另一突破。上世纪90年代,王育竹开始进行空间冷原子钟的相关论证,当时他的学生王新旗便已在博士毕业论文中提到了“新型空间原子钟建议”。进入21世纪后,王育竹带领团队开始逐步推进小型化冷原子铷钟和空间冷原子钟的可行性研究。
“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。
值得一提的是,空间冷原子钟的方案最早是法国巴黎天文台提出的,但中国是第一个将其送入太空的国家。从错过激光冷却气体原子研究先机,到空间冷原子钟研究后来居上,短短几十年,俨然换了人间。王育竹欣喜于国内科研环境的日益改善,也欣慰于青年一代扛起了科技强国重任。
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”。
 
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