追赶时间的人

中国工程院院士、中国计量科学研究院首席研究员李天初:

追赶时间的人

本报记者 刘松柏

图① 李天初院士在守时实验室。

图② 李天初在NIM5铯原子喷泉钟实验室。(资料图片)

人物小传

中国工程院院士、中国计量科学研究院首席研究员李天初,一辈子学计量、干计量。今年已经70岁的他,多次主持国家科研项目,多次获得国家级奖项,填补国内空白。去年8月,他带领科研小组研制的“NIM5激光冷却—铯原子喷泉钟”被接收为国际计量局认可的基准钟之一,使我国成为世界上少数几个参与驾驭国际标准时间的国家。

“与最先进国家相比,我国时间频率基准的研究还有较大差距。”一见面,中国工程院院士、中国计量科学研究院首席研究员李天初提到的不是成绩,而是差距。

其实,我国的时间基准装置的准确度已从每30万年1秒提高到2000万年不差一秒,但在李天初看来,还不够。“目前,我们已经开始了NIM6铯喷泉钟的研究,目标是6000万年不差一秒,完成后,中国在时间频率领域才步入国际第一梯队。”

70岁的他,追赶时间的脚步从未停止过。这一切,都是为了离时间近一点,更近一点。

拥有自主的时间频率基准

在中国计量科学院一间实验室里,有一台长相“奇特”的机器。同行的一位计量院研究人员告诉《经济日报》记者:“这就是目前我国最准确的原子钟——NIM5铯喷泉基准钟。”

去年8月,中国计量科学研究院(NIM)研制并运行的“NIM5激光冷却—铯原子喷泉钟”通过了国际频率基准工作组的评审,被接收为国际计量局(BIPM)认可的基准钟之一,参与驾驭国际原子时。中国首次在国际标准时间的产生过程中不仅具有话语权,更具备了“表决权”,成为世界上少数几个参与驾驭国际标准时间的国家。

不少人可能并不清楚提高时间的准确度到底有什么用处。众所周知,现代国际时间单位是原子秒,1原子秒是由铯原子跃迁振荡91.9亿多周所持续的时间。在生活中,1秒钟,对普通老百姓来讲,不过就是“眨一下眼”、“张一下嘴”、“接通一个电话”……表面看来似乎微乎其微,但对于航天、电子通信、全球定位系统等领域来说,1秒钟可是天大的事。

以“神舟”系列飞船发射为例,飞船发射前,在全球共设置了多个监控站,这些站的时间都务必精确到微秒。飞船在太空飞行时速度约每秒8公里,差1秒,飞船的位置将会“差之毫厘,失之千里”。

“大到科学研究和国民经济建设,小至黎民百姓的日常生活,时间频率计量与我们息息相关。”李天初说,没有它,时空无法和地面同步,卫星导航定位无法实现;没有它,高速宽带通讯网络将处于瘫痪,所有的计算机都不能上网;没有它,手机机站间由于频率时间无法同步,也将无法正常工作,我们的手机也无法通话……

“建立独立自主的时间频率计量体系,关乎国家基础科学,关乎国民经济,关乎国防建设的核心利益。”这一沉甸甸的使命一直藏在李天初的心里,不管外界有多大的诱惑,始终没有动摇过。

困难面前永不言退

李天初和课题组同事们研制的“激光冷却—铯原子喷泉时间频率基准装置”采用了当今国际最先进的“激光冷却—原子喷泉原理”实现的时间频率基准。

“激光冷却原子系统中,10个光子作用于原子的反冲动量,使原子产生大于1厘米/秒的运动速度,我们要做的是要将原子从室温的150米/秒冷却到运动速度1.5厘米/秒。”李天初说。

但是,很长一段时间都无法使原子的冷却温度下降。李天初陷入了困境。他说,现在回想起来,还能深切地体会到那时的沮丧。

一天又一天,李天初反复思考,晚上12点还在实验室工作。终于发现,原子冷却光束的直径不够大,导致原子还没有充分冷却,就已经飞出冷却光束范围。将光束直径加大,难题迎刃而解。

在实现冷却原子云后,接下来就是上抛原子,形成喷泉,只有形成上抛下落的喷泉运动,才可能得到高信噪比的信号。然而,好事多磨,新的问题又出现了。实验发现,探测到上抛下落原子的信号远低于锁定频率需要的信噪比。原因到底在哪里呢?

实验所用的仪器设备和部件太多了,每个仪器设备、部件、甚至连线,都可能出问题,特别是每个仪器设备和部件的性能指标虽然都相当不错,但在激光冷却原子这种高度尖端的实验中,其技术指标是否够用,只能靠反复实验,一点一点查,一点一点摸索总结。

再三分析后,李天初坚持自己的研究方向,大胆决策,重新研制激光稳频系统电路,将其激光调制频率从10千赫兹提高到每秒80千赫兹,果然彻底解决了这个难题。

类似这种过后看似简单的一个又一个难题在科研过程中不断出现,极大地挑战着李天初的信心和毅力。困难面前永不言退。李天初和同事们在NIM4和NIM5铯原子喷泉钟的研制中,提出并成功实现了一系列自主创新的方案和技术。

NIM4和NIM5铯原子喷泉钟的研制,将我国的时间频率基准水平向前推进了一大步,中国成为国际少数具有独立完整时间频率计量体系的国家之一。中国计量科学研究院铯喷泉课题组也因此获得了国家科技进步奖。

机遇垂青有准备的人

研制NIM4、NIM5钟,可谓十年磨一剑。有人说,如果没有像李天初这样的人,也许就没有今天的成果。但李天初却说:“我只不过是机遇把握得好一点而已。”

此前,他主持的“光纤损耗/长度和光纤OTDR标准检定装置”,2002年获得国家科技进步二等奖;他主持的“1.5mm光通讯波分复用波长标准装置”建立了我国光通讯波分复用光波长标准,填补了国内近红外波段没有波长标准的空白……

这样一个又一个的成果,铺就了李天初的“机遇”。

1997年,“激光冷却—铯原子喷泉时间频率基准装置”项目开始启动。1998年,多年前在英国参与过相关工作的李天初,几乎是自告奋勇地成为了该项国家级重大科研项目的第二任课题组负责人。

刚迈入新世纪,李天初意识到飞秒光学频率梳技术的科学意义和应用前景。2002年,他推动参加“锁模飞秒脉冲激光—微结构光纤—光学梳状频率/波长标准装置”课题立项启动。

2005年,“飞秒光梳”技术获得了诺贝尔物理学奖。2006年,计量院的飞秒光梳课题已经通过了成果鉴定。如果计量院在‘飞秒光梳’获得诺贝尔物理学奖之后,才开始开展此项研究,那么,我国在这一领域至少要晚好几年才能出成果。

2005年,李天初规划参加中国计量科学研究院锶晶格原子光频标课题正式启动, 并列入了国家“973”计划。即便如此,李天初依然淡淡地说:“在正确的时间提出了正确的科研方向,是我追求的理想。”

在他担任中国计量科学研究院量子部主任的10年,先后有约瑟夫森电压、NIM4铯喷泉钟、量子化霍尔电阻、碘稳频532nm激光、飞秒光梳5项重大科研成果在研或通过技术鉴定,并先后获得国家级奖项。而在他担任科研管理工作的10年,他从来没有脱离一线科研工作,一直坚持在实验室亲自动手做实验,一贯提出问题,和同事们一起分析问题、解决问题;提出目标,和同事们一起向研究目标努力。

面对掌声和荣誉,李天初很淡定。他说:“这是大家一起努力的结果。我的职责是,尊重课题组的每一成员,努力创造一种发挥每个科研人员聪明才智的和谐氛围,让想干事的人干事。”

多年来,李天初积极推荐、培养青年科研骨干。他也极力参与引进有国外学习和工作经历的优秀科研人员到计量院工作。对错过和流失的优秀青年科研人员,他总是遗憾,自责,也无奈。在研究工作中,他主张给青年科研骨干机会,也给他们重担;在科研实践中历练他们,同时也考验他们。

如今的李天初已是从行政岗位退下了,回归全职研究员。他参与推荐、培养和引进的不少同事已成为科研一线的中青年科研带头人和技术骨干,而李天初依旧行走在追赶时间的路上。