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【人物专访】刘亮:打造太空中最准的原子钟

发布时间: 2016-10-31 14:03:57   作者:杨春雪、喻菲   来源: 新华社   浏览次数:
摘要: 人生的起伏会深化存在过的痕迹,有一种丰富叫辽阔。

 

2008年,刘亮在工厂检查时,手拿原理样机。(照片由受访者本人提供)

 

        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。

        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几乎总是在出差,或者过着实验室和家“两点一线”的生活,节假日也鲜有业余时间,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。

        这台钟是一个没有秒针、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。

        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:“这是目前来讲在太空运行的世界上性能最好的原子钟。”

        如果说机械表1天差不多有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,他说。

        他介绍,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。他希望通过他们的研究慢慢地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。

 

冷原子钟狂想图(贺萌制图)

 

一秒不差

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

        “这个表接收长波信号,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。

        一秒不差的细节实则反应这位致力于时间测量的科学家对时间精准的追求。“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,“开会说九点钟,大家肯定是九点以前到,不会拖到九点零一分。项目要求什么时候完成,我们就什么时候完成,几天几夜不睡觉也得完成,这是必须的。”

        而刘亮带领的这个约30人的团队在研制冷原子钟过程中常常遇到的困难恰巧也是时间的期限。刘亮回忆最艰难的一次经历是在做初样时候,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。”

        “那时我们没日没夜地在实验室,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我们把信号调出来了。”他说,“其实是一块小小的磁铁由于碰撞导致了退磁引起的。” 

 

冷原子钟(照片由受访者本人提供) 

 

归国求梦

        刘亮在少年时期就表现出热爱科学的潜质,15岁上大学把物理学研究当作一生的追求,19岁读硕士,师从我国著名量子光学专家王育竹院士。此后,他出国深造,在美国纽约州立大学石溪分校物理和天文系著名科学家梅特卡夫教授指导下获得了博士学位。

        2005年底,在上海光机所和王育竹院士的极力引进下,在美国已有所建树的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。”刘亮补充道,“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,幸运的是我得到了我们单位领导的大力支持以及各位同事的密切配合。”

        刘亮认为,回来参与这项研究正是赶上了好时代。“一方面,中国在科学技术上发展得很快。另一方面,我们还有一个得天独厚的优势,我们拥有自己的空间资源。”

        他认为,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。”

 

2016年9月9日,刘亮在天宫二号垂直转运现场。(照片由受访者本人提供)

 

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,然后要在合适的时间返回信号……这一切都需要不断调整。”

        不过,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。

        他介绍,未来的目标是在空间站上做两件事情:一是将空间冷原子物理实验做到更加冷,“我们将尝试冷到10的负12次方开尔文,这是人类技术在地面从未达到过的温度,只有利用空间微重力环境才有可能达到如此低的温度,是对基础物理学科的一次重要探索”;二则是将空间站上时间频率系统做得更加精准,未来目标是10的负18次方量级。

        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60年代的原子钟、80年代的冷原子钟,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。

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