編者按：今年是新中國成立75周年。75年來，中國從積貧積弱邁向繁榮富強，創(chuàng)造了人類發(fā)展史上的偉大奇跡。75年來，中國經(jīng)濟影響力持續(xù)提升，成功邁進現(xiàn)代化建設(shè)的新階段。湖北立足雄厚的工業(yè)基礎(chǔ)，以科技創(chuàng)新引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新，一批“中國芯”帶動中國制造由大變強，服務(wù)中國式現(xiàn)代化建設(shè)。即日起，湖北日報開設(shè)“奮進強國路 澎湃中國芯”專欄，展現(xiàn)湖北人民推進科技自立自強的拼搏作為，見證中國式現(xiàn)代化偉大成果。
湖北日報全媒記者肖麗瓊
“日常使用的時鐘如果每天快慢幾秒，計時精度就算很高了。但是一臺銣原子鐘，每天的計時誤差可能只有百億分之幾秒！”9月10日上午，在位于武漢的中國科學(xué)院精密測量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院（以下簡稱“精密測量院”），著名原子鐘專家梅剛?cè)A研究員如是形容原子鐘的精度。
他的面前，是一個普通鞋盒大小的金色盒子。這個盒子正是甚高精度星載銣原子鐘——每天計時誤差不超過百億分之三秒的“時間魔盒”，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的“心臟”。
為讓這顆北斗“心臟”跳出“中國心率”，梅剛?cè)A和團隊奮斗了近30年。“現(xiàn)在的北斗衛(wèi)星上，裝備了45臺我們的銣原子鐘！”梅剛?cè)A自豪之情溢于言表。
歐美技術(shù)封鎖
倒逼湖北科學(xué)家自主研發(fā)
“做不出原子鐘，北斗系統(tǒng)就建不成。”北斗工程總設(shè)計師孫家棟院士曾這樣界定原子鐘的關(guān)鍵作用。
原子鐘是基于量子物理學(xué)的基本原理——原子由原子核和電子組成，電子在不同的能級之間躍遷時，會釋放特定頻率的電磁波，這些電磁波的頻率是固定的，不受外界干擾，因此可以用來作為時間標(biāo)準。
梅剛?cè)A說，日常生活中，大家或許感受不到原子鐘的存在，然而正是依靠原子鐘的計時精度，讓人類每一場競賽、每一次衛(wèi)星發(fā)射，乃至金融市場的每一筆交易，都能在時間的洪流中找到自己的精準坐標(biāo)。
星載原子鐘是北斗的“心臟”。曾經(jīng)，卻是北斗人的“心病”。
1985年，梅剛?cè)A從武漢大學(xué)碩士畢業(yè)，分配到中國科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所（簡稱“武漢物數(shù)所”，精密測量院前身）。武漢物數(shù)所是我國最早開展原子鐘研究的單位，也是梅剛?cè)A“夢開始的地方”。
梅剛?cè)A早期從事了十年的原子物理基礎(chǔ)研究。他由此獲得博士學(xué)位，也練就了扎實的原子鐘技術(shù)研究基本功。
20世紀90年代，我國制定了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略。能否實現(xiàn)原子鐘技術(shù)突破，關(guān)系到北斗系統(tǒng)建設(shè)的成敗。當(dāng)時，星載原子鐘技術(shù)僅為少數(shù)西方國家所掌握，在我國屬于技術(shù)空白。而星載原子鐘機理復(fù)雜、技術(shù)難度極大，要實現(xiàn)從無到有的突破，其難度可想而知。
1997年，梅剛?cè)A團隊接下研制北斗星載銣原子鐘的任務(wù)。此時，歐美國家已經(jīng)先行了近30年。“剛開始的時候，我們銣鐘的精度跟西方發(fā)達國家比差了將近100倍。在可靠性、壽命、衛(wèi)星環(huán)境適應(yīng)性方面，更是連設(shè)計概念都沒有，差不多是一片空白。”
面對歐美的技術(shù)封鎖，梅剛?cè)A明白，只能走自主研發(fā)這一條路。
越覺得那個東西關(guān)鍵，就越要去攻克
從核心部件突破！
微波腔是銣原子鐘的核心部件。在深入研究現(xiàn)有技術(shù)局限性的基礎(chǔ)上，他創(chuàng)新性地提出，利用一個開槽管結(jié)構(gòu)，可能大大改善微波腔的性能。但是，在一個膠卷大小的開槽管上開幾個槽，槽的寬度是多少，長度是多少，當(dāng)時沒有計算機模擬仿真技術(shù)，他只能憑經(jīng)驗一點點嘗試，一個個參數(shù)摸索。歷經(jīng)無數(shù)日夜、反復(fù)試驗，試驗品竟裝滿了幾抽屜。
終于，憑借著不服輸?shù)木髲姡穭側(cè)A成功研制了開槽管微波腔，奠定了銣鐘高穩(wěn)定度和小型化技術(shù)基礎(chǔ)。國內(nèi)權(quán)威專家認為該技術(shù)是我國科技工作者在原子鐘方面做出的“不可多得的創(chuàng)新性貢獻”。
攻克第一道難關(guān)后，梅剛?cè)A又把目標(biāo)鎖定在銣光譜燈上，這是銣鐘的另一個核心部件。普通的譜燈光強起伏大，銣樣品消耗快，且無法在衛(wèi)星的真空環(huán)境下工作。梅剛?cè)A帶領(lǐng)團隊通過無數(shù)次試驗，發(fā)明了一種新型光譜燈，能夠在真空條件下長期穩(wěn)定工作，克服了限制銣鐘壽命和衛(wèi)星環(huán)境適應(yīng)性的主要障礙。
從空白到領(lǐng)跑，梅剛?cè)A團隊用了近30年。
2018年11月19日，在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心以“一箭雙星”方式成功發(fā)射的我國北斗三號系統(tǒng)第十八、第十九顆組網(wǎng)衛(wèi)星，首次裝載了精密測量院研制的甚高精度星載銣原子鐘。這是梅剛?cè)A團隊為北斗研制的第三代銣鐘，性能指標(biāo)超越GPS系統(tǒng)的同類技術(shù)，居國際領(lǐng)先水平，可為北斗系統(tǒng)提供分米級定位能力。
回顧那段自力更生的歲月，梅剛?cè)A感嘆：“一味地跟從，最多跟別人做得一樣好；要超越別人，就必須創(chuàng)新。什么東西難你就得干什么，越是覺得那個東西關(guān)鍵，你就越是要去攻克。”
今年6月24日，2023年度國家科學(xué)技術(shù)獎在京揭曉，梅剛?cè)A團隊完成的“北斗三號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)星載銣原子鐘技術(shù)實現(xiàn)與應(yīng)用”項目榮獲2023年度國家科學(xué)技術(shù)進步獎二等獎。這是梅剛?cè)A團隊繼2015年獲得國家技術(shù)發(fā)明二等獎之后，再次獲得國家科技獎表彰。
