劉亮，中國科學(xué)院量子光學(xué)重點實驗室主任，研究員，博士生導(dǎo)師。他是天宮二號空間冷原子鐘有效載荷的主任設(shè)計師，領(lǐng)導(dǎo)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(guān)注。
8月26日，第二屆中國空間科學(xué)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(xué)學(xué)會科學(xué)獎?！皠⒘镣臼状卧诳臻g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(lǐng)域作出了開創(chuàng)性的貢獻(xiàn)，為基于冷原子的量子傳感在空間的應(yīng)用鋪平了道路。”——伴隨著主持人誦讀的獲獎詞，這位年近花甲的科學(xué)家不禁熱淚盈眶……他步伐堅定地走上領(lǐng)獎臺。
獎臺近在眼前，但這條成功之路，他卻走了十余年之久。
以夢為馬 不負(fù)韶華
劉亮在少年時期就表現(xiàn)出對科學(xué)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(xué)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(xué)籍并隨班一起升入小學(xué)。一路走來，他15歲就上了大學(xué)，并把物理學(xué)研究當(dāng)作一生的追求。19歲讀碩士，師從中國量子光學(xué)專家王育竹院士。此后，他出國深造，在美國獲得博士學(xué)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(xué)和工作的地方——中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所量子光學(xué)重點實驗室。
2007年，在空間冷原子鐘分系統(tǒng)首席科學(xué)家、中科院院士王育竹的指導(dǎo)下，劉亮領(lǐng)導(dǎo)的空間冷原子鐘團隊成立，開啟了跨越兩代人、長達(dá)十余年的攻關(guān)。
2010年，劉亮他們團隊接到任務(wù)，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(yán)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(fù)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。”劉亮這樣形容原子鐘的研制過程。從2010年10月接到任務(wù)，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(dá)到了滿足火箭發(fā)射和空間在軌正常運行的要求。
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。“我們對它滿懷著期望，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。”劉亮說，發(fā)射的那晚，他們還非常焦急。“因為發(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?！?/span>
在實驗室里的時候，團隊的成員們連大聲說話都不敢。咳嗽一聲，原子跑掉了；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(fù)的工作。”劉亮說，“激光要調(diào)到準(zhǔn)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(guān)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?！?/span>
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(yù)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(zhǔn)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(zhǔn)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。”
精益求精 永不止步
在人類文明進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)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(zhǔn)？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(xì)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(zhǔn)發(fā)展歷史上的一次重要突破。
“我們的終極目標(biāo)是制造出在整個宇宙的生命周期內(nèi)永遠(yuǎn)不會走偏一秒的時鐘?！眲⒘琳f。
為什么科學(xué)家們執(zhí)著于時間精度？曾有學(xué)者舉過這樣的例子：當(dāng)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(luò)、交通、金融系統(tǒng)、安全、電網(wǎng)發(fā)電等，就會陷入混亂；而導(dǎo)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(dǎo)彈精密打擊等高精準(zhǔn)度導(dǎo)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(biāo)是實現(xiàn)3000萬年誤差1秒。但當(dāng)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(jìn)入空間的能力，隨后發(fā)展了空間應(yīng)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。現(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(xué)實驗?！?
來源：科學(xué)導(dǎo)報
