劉亮：以熾熱之心造“高冷”之鐘

劉亮，中國科學院量子光學重點實驗室主任，研究員，博士生導師。他是天宮二號空間冷原子鐘有效載荷的主任設計師，領導團隊經(jīng)過十余年艱苦鉆研，完成了空間冷原子鐘研制，隨天宮二號發(fā)射升空并完成在軌運行?？臻g冷原子鐘的在軌測試成功獲得了國際上廣泛關注。

8月26日，第二屆中國空間科學大會在山西省太原市開幕，劉亮研究員榮獲第二屆中國空間科學學會科學獎。“劉亮同志首次在空間軌道上實現(xiàn)了激光冷卻和冷原子鐘運行，在空間冷原子鐘及空間超冷原子物理領域作出了開創(chuàng)性的貢獻，為基于冷原子的量子傳感在空間的應用鋪平了道路?！薄殡S著主持人誦讀的獲獎詞，這位年近花甲的科學家不禁熱淚盈眶……他步伐堅定地走上領獎臺。

獎臺近在眼前，但這條成功之路，他卻走了十余年之久。

A、以夢為馬 不負韶華

劉亮在少年時期就表現(xiàn)出對科學的熱愛。他的童年頗有幾分傳奇色彩。小時候家里沒有人帶他，父母就把他帶到學校，跟著他們教書的班級隨堂聽課。有一次考試，老師也發(fā)給4歲的劉亮一張試卷，不測不知道，年齡小3歲的劉亮考試考了全班第一，于是老師就讓他正式加入學籍并隨班一起升入小學。一路走來，他15歲就上了大學，并把物理學研究當作一生的追求。19歲讀碩士，師從中國量子光學專家王育竹院士。此后，他出國深造，在美國獲得博士學位。

2005年底，在上海光機所和王育竹院士的極力引薦下，劉亮回到曾經(jīng)求學和工作的地方——中國科學院上海光學精密機械研究所量子光學重點實驗室。

2007年，在空間冷原子鐘分系統(tǒng)首席科學家、中科院院士王育竹的指導下，劉亮領導的空間冷原子鐘團隊成立，開啟了跨越兩代人、長達十余年的攻關。

2010年，劉亮他們團隊接到任務，國家要求他們把冷原子鐘實驗搬到天上去。上天的項目，不論是原理、樣機，還是初樣、正樣，都有著嚴格的時間節(jié)點，更何況他們要做的，是將一臺3000萬年誤差不到1秒的精密儀器放到復雜的空間環(huán)境里穩(wěn)定運行?！耙丛趯嶒炇?，要么在出差的路上?！眲⒘吝@樣形容原子鐘的研制過程。從2010年10月接到任務，到2016年交出正樣件，這5年是不堪回首的5年。劉亮說，他現(xiàn)在也不大愿意去回憶那時候的情景，因為他們每天都是從早到晚在實驗室里面，沒有白天，沒有黑夜，也不知道外面四季的變化。直到正樣交付之后，劉亮才規(guī)定團隊成員以后加班時間不能再超過晚上11點。

經(jīng)過近10年的艱苦努力，中國第一臺空間冷原子鐘正樣產(chǎn)品研制成功，在光、機、電、熱、軟件等方面通過了中國載人航天工程各類環(huán)模測試的檢驗，達到了滿足火箭發(fā)射和空間在軌正常運行的要求。

B、夢想成真 遨游太空

2016年9月15日，在酒泉發(fā)射中心，首臺冷原子鐘正樣產(chǎn)品“搭乘”天宮二號飛往浩渺太空?！拔覀儗λ鼭M懷著期望，同時也非常不舍。因為整個團隊10年的心血就在這臺鐘上，而它以后是再也不會回來的?！眲⒘琳f，發(fā)射的那晚，他們還非常焦急?！耙驗榘l(fā)射成功，只代表火箭發(fā)射成功，我們做了這么多年的工作，為的就是讓這臺鐘扛過火箭發(fā)射時的巨大震動，扛過所有環(huán)境變化帶來的影響?！?/p>

在實驗室里的時候，團隊的成員們連大聲說話都不敢?？人砸宦暎优艿袅?外面汽車經(jīng)過一下，原子跑掉了;隔壁房間的電子儀器一打開，原子跑掉了……他們做了很多工作去解決這一問題。直到天宮二號發(fā)射成功后的第三天，收到了第一條來自太空的原子譜線，大家的心才放下來。

空間冷原子鐘被放置在天宮二號的密封艙中，而在距離該飛行器近400公里的地面，劉亮的團隊無時無刻不在為這臺鐘忙碌著?！安皇钦f冷原子鐘做好了放到太空一通電就可以直接使用了，而是需要每天做海量繁復的工作?！眲⒘琳f，“激光要調(diào)到準確位置，才能把原子冷卻下來抓住，再用激光把它推出去，然后還需要在合適的時間之內(nèi)打開微波，在合適的時間關掉微波;在合適的時間打開激光，在合適的時間返回信號……這一切都需要不斷調(diào)整。”

2019年7月19日，天宮二號實驗室受控離軌并再入大氣層，少量殘骸落入南太平洋預定安全海域。劉亮說：“我們在7月1日之前剛完成一輪實驗，正準備下一輪實驗的時候接到通知天宮二號要主動離軌，雖然我們早有準備但沒想到來得這么快，不禁感到一絲惆悵，多想一直做下去。我們堅持到最后一刻，數(shù)據(jù)顯示，冷鐘一切正常，然后就沒有然后了。好在我們有空間站，我們一定會在空間站再創(chuàng)輝煌。”

C、精益求精 永不止步

在人類文明進步和科學技術發(fā)展的歷史長河中，人類活動所帶來的社會需求與時間測量的精度是密不可分的。劉亮介紹，如果說機械表1天差不多有1秒誤差，石英表10天大概有1秒誤差，氫原子鐘數(shù)百萬年有1秒誤差，那么冷原子鐘則可以做到3000萬年到3億年誤差1秒。

這只鐘為什么會走得那么準？一言以蔽之，秘訣在于“高、冷”二字：一方面得益于太空中“天宮二號”的“微重力”環(huán)境，另一方面則因為其自身的“冷”。劉亮介紹，在微重力環(huán)境下，原子團可以做超慢速勻速直線運動，基于對這種運動的精細測量可以獲得較地面上更加精密的原子譜線信息，從而可以獲得更高精度的原子鐘信號，實現(xiàn)在地面上無法實現(xiàn)的性能，這是原子鐘和時間基準發(fā)展歷史上的一次重要突破。

“我們的終極目標是制造出在整個宇宙的生命周期內(nèi)永遠不會走偏一秒的時鐘?！眲⒘琳f。

為什么科學家們執(zhí)著于時間精度？曾有學者舉過這樣的例子：當計時誤差在100納秒量級時（一天的計時誤差超過千分之一秒），通信網(wǎng)絡、交通、金融系統(tǒng)、安全、電網(wǎng)發(fā)電等，就會陷入混亂;而導航衛(wèi)星等對計時精度有更高的要求，如果誤差超過10^-14（一天的計時誤差超過十億分之一秒），將會對導彈精密打擊等高精準度導航定位產(chǎn)生不可接受的偏離。這是劉亮團隊探索高精度空間原子鐘的重要原因。天宮二號升空之前，他們的目標是實現(xiàn)3000萬年誤差1秒。但當這臺冷原子鐘在天上運行了34個月之后，最終做到了4200萬年誤差1秒。

劉亮說：“航天事業(yè)是一個漫長的過程，我們首先發(fā)展了進入空間的能力，隨后發(fā)展了空間應用的能力，在國家經(jīng)濟實力壯大之后，開始發(fā)展載人航天的能力?，F(xiàn)在我們正在發(fā)展深空探測的能力。天宮二號是所有實驗的第一步，未來空間站上還會做更多科學實驗?！?/p>