——習(xí)近平總書記在致中國科學(xué)院建院70周年賀信中作出的“兩加快一努力”重要指示要求
——中國科學(xué)院辦院方針
王育竹?中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所供圖
青年王育竹。
王育竹在實(shí)驗(yàn)室指導(dǎo)學(xué)生。
1957年11月,毛澤東主席到訪蘇聯(lián),在莫斯科大學(xué)接見中國留學(xué)生。在洶涌的人潮中,有一個(gè)25歲的河北小伙子,苦于擠不到前排,他靈機(jī)一動,攀上了禮堂高高的窗臺,為自己爭取到一個(gè)更好的視野。
這個(gè)小伙子叫王育竹。雖然他此刻能看到敬愛的毛主席了,卻聽不懂主席的湖南方言。這可把他急壞了,連忙請身邊的同學(xué)幫忙“翻譯”。
終于聽明白這番話時(shí),他感到了深深的震撼:“世界是你們的,也是我們的,但是歸根結(jié)底是你們的。你們青年人朝氣蓬勃,正在興旺時(shí)期,好像早晨八九點(diǎn)鐘的太陽。希望寄托在你們身上?!?/p>
話語中包含的殷切期望,照亮了王育竹內(nèi)心最深處。他急切盼望著,能為祖國的建設(shè)事業(yè)貢獻(xiàn)一份力量。
光陰荏苒,今天的王育竹,已經(jīng)是92歲高齡的中國科學(xué)院院士。他當(dāng)然不再是早晨八九點(diǎn)鐘的太陽,但他把這一生的光芒都獻(xiàn)給了祖國、獻(xiàn)給了黨。
作為中國原子鐘的開拓者之一,他負(fù)責(zé)研制成功我國第一臺銣原子鐘,并已用于多項(xiàng)重要國防任務(wù),其中安裝在“遠(yuǎn)望號”測量船上的銣原子鐘,保證了歷次衛(wèi)星的發(fā)射成功。他帶隊(duì)研制的空間冷原子鐘則隨天宮二號發(fā)射升空,成為九霄之上最精準(zhǔn)的“定時(shí)神針”。
“小作坊”造出原子鐘
王育竹一生的學(xué)術(shù)成果堪稱厚重,如果只用一句話概括,那就是做出更好的原子鐘。
原子鐘,顧名思義,是利用原子在不同能量態(tài)之間躍遷時(shí)吸收或發(fā)射的電磁波來計(jì)時(shí)。由于這種電磁波周期非常穩(wěn)定,原子鐘成為目前世界上最精準(zhǔn)的計(jì)時(shí)工具,在國防軍事、定位導(dǎo)航、航空航天等領(lǐng)域都發(fā)揮著極其關(guān)鍵的作用。
1955年,路易斯·埃森(Louis Essen)和杰克·帕里(Jack Parry)在英國國家物理實(shí)驗(yàn)室建造了第一臺可靠的銫原子鐘,用于校準(zhǔn)石英振蕩器的頻率。6年后,王育竹從蘇聯(lián)回國,入職中國科學(xué)院北京電子所。他在博士期間工作的基礎(chǔ)上,白手起家建立實(shí)驗(yàn)室,并于1964年成功研制出鈉原子鐘實(shí)驗(yàn)室裝置。
1963年,中國科學(xué)院決定將北京電子所和長春光機(jī)所的部分研究室組成新的研究所——中國科學(xué)院光學(xué)精密機(jī)械研究所上海分所(現(xiàn)為中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所)。王育竹和他的實(shí)驗(yàn)室成員集體遷往上海,從此在這里扎下根來。
不久后,王育竹得知國外成功研制出性能優(yōu)越的銣原子鐘,但該技術(shù)對中國封鎖。他非常清楚銣原子鐘在導(dǎo)航、定位技術(shù)中的重要地位,于是從1965年開始獨(dú)立自主研制銣原子鐘。
那是一段漫長而艱難的歷程。彼時(shí),我國沒有可以用于制造原子鐘的銣原子同位素,王育竹團(tuán)隊(duì)幾經(jīng)周折,終于利用初建的裝置分離出同位素。由于受當(dāng)時(shí)歷史背景的影響,王育竹的研究工作幾次中斷,前后花了4年時(shí)間,才研制出銣原子鐘的關(guān)鍵部件和所需要的測試設(shè)備。
1969年9月,周恩來總理提出丟掉“洋拐棍”、建立中國“原子時(shí)”的決策,銣原子鐘的研制工作逐步步入正軌。
1970年,中國科學(xué)院提出 “開門辦所” 的方針。38歲的王育竹帶領(lǐng)頻標(biāo)組,下工廠接受工人階級“再教育”,入駐上海國榮燈具廠。這是一個(gè)制造漆包線的小工廠,工作環(huán)境和條件極差,他們在工廠廚房的小閣樓里搭建起原子鐘實(shí)驗(yàn)平臺,和工人師傅一起開始了研制工作。
利用王育竹提出的3項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),團(tuán)隊(duì)經(jīng)過7年的刻苦攻關(guān),先后研制了三代銣原子鐘樣機(jī),“性能一代比一代強(qiáng),達(dá)到了當(dāng)時(shí)的國際水平”。
他們研制的銣原子鐘先后參加并完成多項(xiàng)國防任務(wù),包括超長波導(dǎo)航、潛艇導(dǎo)航、基地臺站間的時(shí)間同步、遠(yuǎn)程導(dǎo)彈及通信衛(wèi)星發(fā)射、國家原子時(shí)系統(tǒng)等,且順利完成了“遠(yuǎn)望號”測量船原子鐘任務(wù),先后經(jīng)歷兩次出??简?yàn)。
王育竹至今記得,1982年,我國向全世界發(fā)出通告,要向指定海域發(fā)射火箭。得知“遠(yuǎn)望號”測量船即將出海,他心中十分緊張:“何時(shí)發(fā)射、發(fā)射到什么位置以及要測量和時(shí)間有關(guān)的數(shù)據(jù),都要求有很好的時(shí)間同步,如果原子鐘出問題,那整個(gè)發(fā)射工作就難以進(jìn)行了?!敝钡健鞍l(fā)射成功”的喜訊傳來,王育竹才如釋重負(fù),“激動得熱淚盈眶”,深感為祖國的國防事業(yè)作出了一份真正有價(jià)值的貢獻(xiàn)。
“王先生的心時(shí)刻跟隨這項(xiàng)國家重大任務(wù),之后‘遠(yuǎn)望號’每次出海,他都記掛著原子鐘是不是在正常工作?!敝袊茖W(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所副研究員徐震說,“一直到‘遠(yuǎn)望號’退役,原子鐘都在很好地為國家服務(wù),對此,王先生非常欣慰。”
“與諾獎(jiǎng)擦肩而過”?他這樣說
1997年,朱棣文、威廉·菲利普斯(William Phillips)和科昂·塔努吉(Cohen Tanhoudji)因在激光冷卻氣體原子研究工作中的突出貢獻(xiàn)而獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
此時(shí)人們猛然間發(fā)覺,“王育竹提出的激光冷卻氣體原子的物理思想與現(xiàn)在使用的機(jī)制是一致的”,但由于種種原因,“王育竹距諾貝爾獎(jiǎng)只差一步”。
要說清楚如何“與諾獎(jiǎng)擦肩而過”,得把時(shí)間撥回到20年前。
1977年,完成銣原子鐘任務(wù)后,45歲的王育竹回到中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所,尋找下一步的研究方向。就在這時(shí),他關(guān)注到著名物理學(xué)家阿瑟·肖洛(Arthur Schawlow)和西奧多·漢斯(Theodor H?nsch)于1975年發(fā)表的一篇論文。文中提出了激光冷卻原子的多普勒冷卻機(jī)制,并推算出利用這種機(jī)制最低可將鈉原子冷卻到240μK,這個(gè)溫度也被稱為“多普勒極限”。
原子鐘的精確度受限于原子的熱運(yùn)動速度,如果降低原子的溫度,將大幅提高原子鐘的精度。王育竹當(dāng)即認(rèn)識到冷原子對原子鐘研究將產(chǎn)生革命性影響,決心投入到激光冷卻氣體原子的研究中。
1979年,在理解了激光冷卻氣體原子與多普勒頻移的關(guān)聯(lián)后,王育竹提出了幾個(gè)與多普勒效應(yīng)相關(guān)的激光冷卻氣體原子機(jī)制的建議,其中“積分球紅移漫反射激光冷卻氣體原子”與菲利普斯在1983年的工作相似。但限于條件,王育竹直到1993年才完成積分球激光冷卻原子束的實(shí)驗(yàn)。又過了15年,團(tuán)隊(duì)終于實(shí)現(xiàn)了從87Rb背景氣體中直接冷卻原子,獲得了109量級的冷原子氣體,最低氣體溫度達(dá)25μK。
也是在1979年,王育竹開始從一個(gè)新視角思考激光冷卻氣體原子的物理機(jī)制?!般溤隅娢锢頇C(jī)制中有光頻移問題,既然多普勒頻移可用于激光冷卻氣體原子,為什么光頻移不能用于激光冷卻氣體原子呢?”經(jīng)過深入思考,王育竹提出了不同于多普勒冷卻機(jī)制的新冷卻機(jī)制——利用交流施達(dá)克效應(yīng)(光頻移效應(yīng))激光冷卻氣體原子。這又與朱棣文和塔努吉在1989年提出的低于多普勒冷卻極限的西西弗斯冷卻機(jī)制一致。
這是國際上首次提出將光頻移效應(yīng)用于激光冷卻氣體原子的機(jī)制。肖洛在1979年訪問王育竹的實(shí)驗(yàn)室時(shí),對他提出的新冷卻機(jī)制表示了贊同:“這個(gè)思想是新的、合理的,表達(dá)是直接的和清晰的,我建議你發(fā)表?!痹谒墓膭?lì)下,王育竹先后在兩本國產(chǎn)期刊《科學(xué)通報(bào)》和《中國激光》上闡述了相關(guān)物理思想。
但是1980年在中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所參與組織的國際激光會議上,一位國外科學(xué)家并不認(rèn)同這個(gè)冷卻機(jī)制。王育竹回憶當(dāng)時(shí)的情景:“他就當(dāng)場打壓、批評你,說這不行,真是霸氣得不得了?!?/p>
王育竹提出有關(guān)激光冷卻氣體原子新設(shè)想的時(shí)間,比國外早了5至10年,但限于當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)條件,沒有在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)。1998年,朱棣文訪問中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所并參觀王育竹實(shí)驗(yàn)室時(shí),曾問他為何沒有早些開展實(shí)驗(yàn),王育竹無奈解釋:“我沒條件?!?/p>
回顧這些往事,王育竹從未因?yàn)殄e(cuò)過諾貝爾獎(jiǎng)而悵然。他更為介懷的,是時(shí)代背景下開展基礎(chǔ)研究工作的艱難,以及當(dāng)時(shí)中國人在國際學(xué)術(shù)界受到的輕視。
面對媒體上的種種嘆惋,王育竹只是淡淡地說:“談?wù)撝Z貝爾獎(jiǎng)問題沒有意義,但是,回憶走過的路程、記錄真實(shí)情況,會使我們更重視系統(tǒng)的基礎(chǔ)科學(xué)研究,更加珍惜現(xiàn)在的研究工作?!?/p>
托起“八九點(diǎn)鐘的太陽”
王育竹不僅是一位開拓進(jìn)取的學(xué)者,也是一位桃李滿園的師者。當(dāng)初冷清孤寂的冷原子研究領(lǐng)域,如今早已人才濟(jì)濟(jì)。動輒數(shù)百人參與的學(xué)術(shù)會議上,絕大多數(shù)參會者要么出自王育竹門下,要么曾在他的實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)過。
“王先生是一位非常平和的老師,他十分看重年輕人對研究的興趣?!敝袊茖W(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所研究員魏榮說。他最初沒有被分配到王育竹的課題組,但對組里的研究方向很感興趣。他的一個(gè)好友恰好在王育竹門下學(xué)習(xí),表示愿意和他交換課題組,還把這件事告訴了王育竹。沒過多久,魏榮就受到王育竹的邀請去參觀實(shí)驗(yàn)室?!拔耶?dāng)時(shí)很激動,但也很忐忑。后來王先生就給我當(dāng)時(shí)的導(dǎo)師打了電話,安排我們兩個(gè)人換組了。”魏榮說,“王先生就是這樣,他覺得你對這個(gè)方向真的感興趣,就很愿意把你招進(jìn)來。”
徐震也有類似的經(jīng)歷。他備考博士研究生時(shí)發(fā)揮失常,原以為要與學(xué)術(shù)生涯說再見了。沒想到王育竹主動詢問他哪里沒考好、以后想做什么??闯鲂煺鹗钦嫘南矚g科研,王育竹便請他來課題組工作,后來幫助他在職讀了博士學(xué)位。
在中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所研究員呂德勝看來,王育竹在教育中所傳達(dá)的精髓,除了對科研的熱愛外,就是做任何事都要從國家利益出發(fā)。
2002年3月,王育竹實(shí)驗(yàn)室利用為數(shù)不多的經(jīng)費(fèi),實(shí)現(xiàn)了中國第一個(gè)銣原子稀薄氣體的玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)(BEC),誕生了一種新物態(tài),使中國成為世界上第11個(gè)、亞洲第2個(gè)擁有新物態(tài)的國家。當(dāng)國際BEC網(wǎng)站上飄揚(yáng)起五星紅旗時(shí),從不在乎個(gè)人名利的王育竹,在那一刻非常振奮。
對待財(cái)物,王育竹既慷慨又“摳門兒”。遇到各種災(zāi)情疫情,他往往是所里捐款最多的人。但實(shí)驗(yàn)室里哪怕幾毛錢一個(gè)的小物件,他也格外珍惜,不許學(xué)生隨意丟棄。用他的話說就是,沒有人有權(quán)利浪費(fèi)國家一分錢!
在王育竹的潛移默化下,他的學(xué)生同他一樣,心系“國家事”,肩扛“國家責(zé)”,不斷推動原子鐘研究的發(fā)展。
空間冷原子鐘是原子鐘發(fā)展的另一突破。上世紀(jì)90年代,王育竹開始進(jìn)行空間冷原子鐘的相關(guān)論證,當(dāng)時(shí)他的學(xué)生王新旗便已在博士畢業(yè)論文中提到了“新型空間原子鐘建議”。進(jìn)入21世紀(jì)后,王育竹帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開始逐步推進(jìn)小型化冷原子銣鐘和空間冷原子鐘的可行性研究。
“國家需要你們!”2006年,在恩師王育竹的召喚下,劉亮放棄了美國的高薪工作,回到中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所,很快領(lǐng)導(dǎo)成立了空間冷原子鐘團(tuán)隊(duì)。團(tuán)隊(duì)攻堅(jiān)克難,取得了系列成果——2010年,完成空間冷原子鐘原理樣機(jī)的研制和地面科學(xué)實(shí)驗(yàn)論證;2011年,空間冷原子鐘實(shí)驗(yàn)計(jì)劃正式進(jìn)入工程樣機(jī)的設(shè)計(jì)與研制階段;2016年,國際上第一臺在軌進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)的空間冷原子鐘搭乘天宮二號被發(fā)射到太空,其精度高達(dá)3000萬年,誤差小于1秒。
值得一提的是,空間冷原子鐘的方案最早是法國巴黎天文臺提出的,但中國是第一個(gè)將其送入太空的國家。從錯(cuò)過激光冷卻氣體原子研究先機(jī),到空間冷原子鐘研究后來居上,短短幾十年,儼然換了人間。王育竹欣喜于國內(nèi)科研環(huán)境的日益改善,也欣慰于青年一代扛起了科技強(qiáng)國重任。
光陰荏苒,當(dāng)年那位攀上窗臺、眼中有光的青年已步入耄耋之年,但冷原子學(xué)科的研究隊(duì)伍卻日益壯大、風(fēng)華正茂。這是最讓王育竹欣慰的事——每一個(gè)人都會老去,但他在有限的年華里,為祖國的科技事業(yè)托舉起了更多“八九點(diǎn)鐘的太陽”。
(原載于《中國科學(xué)報(bào)》?2024-01-29?第3版?綜合)