鄂产“北斗心脏”精准跳动
文/图 湖北日报全媒记者 肖丽琼 通讯员 杨婷婷 实习生 胡晓晗 林柱斌
“目前，世界上最准确的计时工具是原子钟！”4月25日，在中国科学院精密测量科学与技术创新研究院（简称“精密测量院”），著名原子钟专家、研究员梅刚华向记者介绍。
此刻，他的面前摆着一个金色盒子，普通鞋盒大小，顶部有几个电连接器插口……乍一看，很难让人与“钟”等计时器关联起来。
这个盒子正是甚高精度星载铷原子钟，每天计时误差不超过百亿分之三秒的“时间魔盒”，北斗卫星导航系统的“心脏”。
据介绍，原子钟于20世纪50年代出现，基于量子物理学的基本原理。原子由原子核和绕核运动的电子组成，电子在不同的能级之间跃迁时，会释放特定频率的电磁波，这些电磁波的频率是固定的，不受外界干扰，因此可以用来作为时间标准。目前，用作原子钟工作物质的元素有氢（Hydrogen）、铯（Cesium）、铷（Rubidium）等。
精密测量院是我国最早开展原子钟研究的单位，也是国内唯一具备星载铷原子钟整机设计和研制能力的单位。2018年11月19日，我国在西昌卫星发射中心以“一箭双星”方式成功发射我国北斗三号系统第十八颗、第十九颗组网卫星。这是北斗导航系统首次装载由精密测量院研制的甚高精度星载铷原子钟，可为北斗系统提供分米级定位能力。
为何选择研发铷原子钟？在精密测量院展示室，看着依次排列的10余种原子钟样机，答案已见分晓。
早期的氢原子钟有1人多高，最新一代的星载铷钟则只有鞋盒大小。“卫星内部空间寸土寸金。”梅刚华说，有限的空间、能源条件，对星载原子钟的重量、体积和能耗等指标提出极高要求。这些因素，决定了星载原子钟的发展趋势是体积越来越小、性能越来越好，铷原子钟能同时兼顾上述两个要求。
如今，星载原子钟是北斗“心脏”；曾经，却是“心病”。
1997年，梅刚华团队接到研制北斗星载原子钟的任务。当时，星载原子钟技术仅为美国等少数国家掌握，在我国属于技术空白。面对欧美的技术封锁，只能走自主研发这一条路。提起那段自力更生的岁月，梅刚华忍不住感叹“非常难”：“一味地追赶，最多跟别人做得一样好；只有创新，才能超越。什么东西难你就得干什么，越是难就越关键，你就越是要去攻克。”
从“空白”到领跑，梅刚华团队用了20多年。他回忆，当时，我国原子钟的精度跟西方发达国家相差两个数量级，将近100倍。现在，甚高精度铷钟计时精度已经超过代表国外最高水平的GPS系统新一代铷钟，在国际上处于领先地位。
梅刚华表示，现有的星载铷钟完全可以满足北斗三号系统定位精度应用需求，但“搞科学研究，要吃着碗里、看着锅里，往后多看几步。”前不久，他带领团队研制出的新型铷钟，秒级频率稳定度比甚高精度铷钟还要高出近1个数量级，创造了新的世界纪录，为研制下一代北斗系统星载原子钟提供了技术储备。