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王义遒:攻克原子钟难题的主持人

原子钟是时间频率技术的核心装备,人类精确把握和使用时间正是利用它。1965年底,国防科委第十研究院十七所(后隶属于第四机械工业部)和北京大学在为国防服务和赶超国际水平的思想鼓舞下密切协作,成功研制出我国第一台稳定度达到600年误差不大于1秒的原子钟——光抽运铯汽泡原子频标。主持这项研究成果的正是北京大学著名物理学家、原常务副校长王义遒教授。

“在精确打击时代,原子钟的作用和地位不亚于原子弹。”王义遒在接受本报记者采访时这样表示。

 

北上苏联求学波谱学

20世纪50年代初,王义遒在北京大学物理系开始了自己的求学生涯。

1953年,恰逢系里要来苏联专家指导学科建设和教学改革,急需俄语翻译,王义遒与4名同学被提前毕业要求突击学习俄语以应专家的翻译需求。两位俄语系毕业生教了他们两个月俄文后离去参加工作,王义遒与四位同学只能继续自学。忆及那段翻译经历,王义遒告诉记者:“翻译是很磨练人的,但翻译过程本身也是学习科学知识和教学规律的过程,我从这段经历中收获很多。”

苏联专家走后,王义遒继续留校从事教学研究工作。1956年,系里通知可以报名留苏预备生,通过考试后需要学习一年俄文第二年再去苏联学习。“但是我当时俄文已经比较好了,所以就继续当了一年的助教。” 1957年,王义遒北上苏联莫斯科大学学习高分辨率光谱学。

“莫斯科大学这个专业比较有名。但是当时光谱学在物理学学科领域内已经不是前沿了,波谱学比光谱学更前沿,能解决更多的问题,所以我更想学波谱学。但是,莫斯科大学当时并未开设波谱学课程,只有列宁格勒大学有这个研究方向。”

巧合的是,当时恰逢中国科学代表团来苏访问,王义遒被委派为周培源先生的俄语翻译。事后,在周先生的牵线帮忙下,苏联教育部同意将其转学至列宁格勒大学。而不巧的是,王义遒后来才得知,当时莫斯科大学已经有一位教波谱学并招收研究生的兼职教授,只是并未对外公布,所以申请转学前的他无从知晓。“这个导师后来得了诺贝尔奖。他叫普罗霍洛夫,就是因发明分子钟而获奖的。”尽管颇多不舍,但苏联教育部已下达了正式的转学调令。1958年,王义遒转去了列宁格勒大学。

“不过我也并不遗憾,我去列宁格勒大学师从的老师叫斯克利卜夫,是个无名的年轻人,但他的创新性思想非常丰富,我跟他学了三年波谱学,获益良多。”谈起这位导师,王义遒向恩师表示敬意和惋惜,“可惜在我回国后不到一个月,40岁的他就去世了。但是,老师在波谱学和量子电子学上有两项重要创新成就,至今仍在该领域中被广泛使用,他的该项工作的后继者荣获了诺贝尔化学奖。”

初上手,困难重重

1961年,王义遒获列宁格勒大学副博士学位后回国到北大无线电系波谱学教研室继续他的学术研究工作。

回到北大后,徐光宪教授鼓励他开一个波谱学化学应用研讨班,这一想法也得到了化学所的支持。“我在苏联学的是波谱学在化学中的应用,但是当时的系主任对我这个研究方向不很满意,因为当时无线电系研究的是雷达、通讯、导航这些,主要为国防服务,而波谱学在化学上的应用和国防没有太多直接的关系。”1963年,随着无线电系搬到昌平校区,王义遒与化学系的联系变得困难,于是他考虑转换研究方向。

“在苏联我曾师从普罗霍洛夫研究过分子钟,多少和原子钟有些相关,于是我就和当时的国防科委第十研究院孙俊人院长讨论决定研究原子钟。他说,原子钟很重要,当时美国导弹靶场已经在使用这个东西了,所以我认为必须要加快步伐研制原子钟。”

1963年,王义遒及团队开始计划研制铷原子钟。王义遒告诉记者,铷原子钟的研究需要同位素的原材料,但当时这些原材料美国对中国都是禁运的。虽然可以从英国买,但是价格特别贵,而且采购周期要一年以上。由于铯和铷在物理性能上很相似,我们想铯或许可以代替铷,于是决定研究铯原子钟。

但在实验的过程中,王义遒与团队发现,铯不但质量更重,研究中的困难要比铷多得多,而且最终原子钟的性能还不如铷。但为了争取时间,不得不这样做。团队5个人在中国第一次做这个研究,也没有前车之鉴,“我们当时用的电子管做出来的东西很大很高,相当于一个柜子那么大,功耗很大,发热也很厉害。直到1965年以后才开始改用了半导体,体积才缩小了很多。”

据王义遒回忆,当年研制铯原子钟时,首先考虑的是必须让铯原子发光,但铯发出的光是红外光,人眼是看不到的,铯发光使用玻璃泡里的无线电高频放电。他用电子管做出的铯泡灯发光了,光很强,人眼就能看到。他笑着告诉记者说:“我们当时没有经验。以为光越耀眼越好,后来发现不是,发出暗暗的玫瑰色光才是最好的。可是这种光到底是什么东西发出来的当时不知道,现在也没有完全搞清楚。可见研制原子钟里面是有很多物理问题的。”

自主研发的原子钟投入生产

1965年年底,突破重重困境的研究团队终于研制成功我国第一代原子钟——光抽运铯汽泡原子频标。由于没有更好标准可以测量,我们就做了三台同样的样机,互相进行比对,得到了上面所说的性能指标。1966年初,国家科委将它作为我国科技新产品进行了展览。然而喜悦并未持续太久,1966年开始文化大革命,原子钟的研制工作停滞,直到1973年科研攻关才重新恢复。

1969年我们无线电系大多数人都搬迁到陕西汉中办北大分校。“文革中,1972年第四机械工业部又要求我们继续研制原子钟,他们要我们做点调查研究,希望我们研制出能够批量生产,符合社会多方面需要的原子钟。王义遒在全国各地做了调查,决定先研制能规模生产的光抽运铷原子钟。这时我国已经能够制造铷的同位素了,而且有的单位已经研制出了铷原子钟样机。

研制能投入规模生产的原子钟,就需要找工厂合作。“1973年初,四机部就给我们开会,决定和北京大华无线电厂(代号768厂)合作,进行研制生产。“这时,我们团队增加到8人。除了我们研究人员外,还有不少工程师和工人。”1976年初,团队作出的新成果——研制成的能批量生产的“光抽运铷原子钟”样机通过了四机部的部级鉴定。此后,我们就实现了规模生产。产品在后来我国短波和长波电台的时号发播,以及核潜艇导弹发射等国防科研试验中都得到了使用,发挥了重要作用。这项成果1978年被授予了全国科学大会奖。

      1976年初,我们又接受了比铷原子钟研制难度更大、工艺更复杂,而对当时国防建设能发挥更大作用的磁选态铯束原子钟。在技术人员和能工巧匠共同努力下,我们在1978年已经建立起了能够观察到原子钟信号的实验装置,还发现了一种叫“玛约朗那跃迁”的新现象。按照四机部的要求,我们的实验样机将在他们指定的工厂生产。

       让王义遒略感遗憾的是,1980年代铷原子钟的成批量生产和铯束原子钟研制项目都下马了,我国开始购买国外又轻便又便宜的仪器。“这样的举措在经济开始腾飞时期或许是不可避免的,因为直接采购国外的仪器更有效率,投资也要少些。但要成为科技与国防强国,一味靠进口就不行了。”在王义遒看来,关键的核心技术和核心科研设备的国产化势在必行,“只有自己提高技术研究,做出自己响当当的成果,才不会被人‘卡住脖子’、‘扼住命脉’!”

1985年以后,王义遒走上了北大的管理岗位,先后担任北大自然科学处处长、教务长、副校长和常务副校长。从1985年到1999年,王义遒在高校管理岗位上工作了10余年。回顾这些年的科研管理生涯,王义遒欣慰地表示:“在此期间北大创建了15个实验室,其中11个是国家重点实验室,4个是教育部和北京市重点实验室,2个国家工程研究中心。这些‘成果’我还是比较满意的。”

从行政管理岗位上退下来之后,王义遒立即被有关部门招为原子钟和时间频率体系的技术管理和咨询专家。形势变化使我国急需的原子钟事业又辉煌发达了。

采访到最后,王义遒不无期待地告诉记者,他希望今天还在坚守科研领域的师生,不要被浮华社会的种种欲望所迷惑,踏踏实实地守好自己的“一亩田”。“我理想中的课堂和实验室是充满激情的,有争鸣的,是学生能够不断提问的,唯有质疑精神才能让科研不断攀上新的高峰。”

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