來源：【科學(xué)網(wǎng)】

最近半個月，張首剛的工作計(jì)劃表細(xì)化到了小時——作為總指揮和首席科學(xué)家的他，領(lǐng)銜研制的中國空間站“夢天”實(shí)驗(yàn)艙“高精度時頻實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”到了最后沖刺階段，該系統(tǒng)將是空間運(yùn)行最高精度的時頻信號產(chǎn)生和傳遞系統(tǒng)，其中包含世界首臺空間光鐘。再過不久，它就要進(jìn)入中國空間站。

“6月5日，神舟十四號載人飛船發(fā)射取得圓滿成功，空間站建造一切順利，這對我們工作的時間節(jié)點(diǎn)、任務(wù)要求也更明確了?！痹扃?2年，張首剛依然激動、緊張，有壓力。

“你的所想所做是否體現(xiàn)了國家需求？”作為中科院國家授時中心主任、作為國家重大任務(wù)的首席科學(xué)家張首剛常常反思自問，以其作為工作選題的第一準(zhǔn)則。

近日，張首剛獲得陜西省“最美科技工作者”。在同事眼中，張首剛是“硬漢”，所獲榮譽(yù)實(shí)至名歸，他扎根西北數(shù)十年，白手起家，組織團(tuán)隊(duì)努力推動我國時間頻率研究水平和服務(wù)能力整體躋身國際前列。

而在一群孩子們眼中，他是溫柔的“張爺爺”。每年即使再忙，他都會在6月1日抽出時間參加所里舉辦的親子活動，與職工孩子們一起做游戲。每年過年，團(tuán)隊(duì)成員的小孩都會收到“張爺爺”的壓歲紅包。

敬授人時

時間有“天長地久、至死不渝”的浪漫，也有“白駒過隙、逝者如斯”之現(xiàn)實(shí)。

在科學(xué)家眼中，時間只有精準(zhǔn)、更精準(zhǔn)的嚴(yán)苛。時間是目前測量精度最高的物理量，一些精密測量物理研究需要高精度時間。時間又是應(yīng)用最廣的物理量，其服務(wù)和應(yīng)用支撐著社會運(yùn)行、經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國家安全，特別是對于數(shù)字通信、衛(wèi)星導(dǎo)航、航天航空以及深空探測等領(lǐng)域的發(fā)展來說，有著基礎(chǔ)性作用。

在20世紀(jì)50年代，科學(xué)家在研究原子和原子核的基本特性時，發(fā)現(xiàn)原子的振蕩頻率穩(wěn)定性非常高，從而產(chǎn)生了利用原子的振蕩頻率來制作時鐘的想法。作為能夠產(chǎn)生時間信號（如秒脈沖）并有計(jì)數(shù)裝置的原子頻率標(biāo)準(zhǔn)，原子鐘是時間精密測量的關(guān)鍵核心，它不僅是國家戰(zhàn)略資源，事關(guān)國家安全和經(jīng)濟(jì)社會運(yùn)行，更是國家話語權(quán)的體現(xiàn)。

近二十年來，我國以原子鐘研制為代表的時間頻率產(chǎn)生和傳遞技術(shù)得到了迅猛發(fā)展。即將進(jìn)入太空的空間光鐘就是我國自主研發(fā)的新一代高精度原子鐘。

1997年，張首剛到法國巴黎天文臺訪問，恰遇歐洲空間局啟動空間原子鐘組計(jì)劃，希望將氫鐘和冷原子銫鐘送入國際空間站，建立空間高精度時間頻率系統(tǒng)。由于技術(shù)等原因，該計(jì)劃再三推遲，至今仍未成行。

張首剛深知空間高精度時間頻率對科學(xué)研究和工程應(yīng)用重大意義——利用空間微重力環(huán)境和航天員照料條件等，實(shí)現(xiàn)高精度時間頻率空間產(chǎn)生和空地傳遞系統(tǒng)，為相關(guān)精密測量物理提供研究平臺，為相關(guān)工程技術(shù)應(yīng)用提供高精度時頻信號。

2004年，張首剛學(xué)成歸國，始終未忘當(dāng)初建立中國空間時間頻率系統(tǒng)的夢想。

隨著中國空間站計(jì)劃的推進(jìn)，2009年，在國際上只有兩三個國家實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室型光鐘原理樣機(jī)的情況下，張首剛就開始策劃中國空間站高精度時頻系統(tǒng)的構(gòu)建，著手世界第一臺空間光鐘的研制。經(jīng)過10余年的努力，團(tuán)隊(duì)突破了多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，打造出了地面光鐘。目前，空間光鐘研制是原子鐘研制的制高點(diǎn)，歐洲依靠多國合作研制著原理樣機(jī)。將一個復(fù)雜又精密，體積20多立方米的實(shí)驗(yàn)室儀器裝進(jìn)不到一立方米空間的空間實(shí)驗(yàn)柜中，不只是簡單的體積和重量的減少，諸多理論和技術(shù)需要反復(fù)驗(yàn)證，許多部件和設(shè)備需要自主研發(fā)，同時需要研究滿足航天產(chǎn)品諸多要求的最佳方案。

當(dāng)下，我國空間站高精度時頻系統(tǒng)到了交付和聯(lián)試的關(guān)鍵階段，每天在頻繁地召開和參加調(diào)度會，不時地在討論技術(shù)問題，加上疫情防控的需要，張首剛和團(tuán)隊(duì)成員把自己封在實(shí)驗(yàn)樓里，晝夜輪班奮戰(zhàn)，安放幾張簡易行軍床，吃住不出樓，幽默的自嘲為“航天民工”，自詡“科學(xué)打工人永遠(yuǎn)是年輕！”

在張首剛看來，團(tuán)隊(duì)最怕的不是身心疲憊，而是事情沒干好，耽誤“國家事”，壓力特別大?！拔覀兌贾溃诟梢粋€世界上沒有先例的事情，都很興奮，也很緊張。但越是在這個時候越不能出差錯，哪怕進(jìn)入一粒灰塵，都可能燒毀光纖端面，部件就要拆解重裝；一個螺絲沒擰緊，都將是天大的事情！”也因此，張首剛不敢再加壓，每天都在鼓勵大家，樹立必勝信心，按質(zhì)量要求工作。

“這是空間站箱內(nèi)最復(fù)雜、難度最大、國際影響也很大的系統(tǒng)，空間站時頻系統(tǒng)將融合北斗導(dǎo)航系統(tǒng)、地基授時系統(tǒng)，預(yù)計(jì)在5年內(nèi)，我們將建成世界上獨(dú)一無二的天地融合、立體交叉的國家授時系統(tǒng)?！睆埵讋傉f。

堅(jiān)守時“權(quán)”

如今，每每談起我國的原子鐘發(fā)展，張首剛總會很自豪地說，我們實(shí)現(xiàn)了國家標(biāo)準(zhǔn)時間產(chǎn)生的自主可控，將我國標(biāo)準(zhǔn)時間與國際標(biāo)準(zhǔn)時間的偏差從100納秒減小至3納秒，綜合性能躍居世界前三。

我國標(biāo)準(zhǔn)時間即為“北京時間”。過去幾十年，國家標(biāo)準(zhǔn)時間產(chǎn)生的核心設(shè)備原子鐘依賴國外進(jìn)口?！半p方比對時間，如果時間不一樣，誰的設(shè)備性能更高、精度更高，就以誰的時間為準(zhǔn)?！睆埵讋偢嬖V《中國科學(xué)報》。

為了解決這一“卡脖子”問題，張首剛與他的“時間團(tuán)隊(duì)”近20年來一直艱苦奮戰(zhàn)。

1997年，為了學(xué)習(xí)先進(jìn)技術(shù)，張首剛離開家人到法國訪學(xué)，那時女兒還不到兩歲。在法國巴黎天文臺這個國際一流的時間頻率實(shí)驗(yàn)室7年，張首剛潛心鉆研，解決了多項(xiàng)技術(shù)難題，獨(dú)立完成了世界第一臺銫原子噴泉鐘的改造。

2005年，在張首剛回國的第二年，受組織安排，他再次離開家人，只身來到位于相對落后的陜西臨潼的中科院國家授時中心，開始原子鐘的研制工作。

中科院國家授時中心的前身是中科院陜西天文臺，其主要任務(wù)是開展時間頻率科學(xué)技術(shù)研究并為全國提供授時服務(wù)。那時，這里沒有原子鐘方面的科研人員及條件，尤其是冷原子鐘的研究基礎(chǔ)是零，整個陜西也沒有從事冷原子研究的相關(guān)人員。

“條件的確很差，經(jīng)費(fèi)也不足，很多人都不把我們當(dāng)研究機(jī)構(gòu)，而是支撐部門，把我們稱作‘開關(guān)時間信號’的服務(wù)者?！睆埵讋偤軣o奈，但改變現(xiàn)實(shí)就必須付出比別人更多的努力。

張首剛一個人從零開始，從一顆螺絲釘開始，研制國家的時間基準(zhǔn)鐘——冷原子銫噴泉鐘。他只有一個信念：“不能干和別人同樣的東西，我們必須研究新的，有用的東西?！?/p>

只要不出差，凌晨1、2點(diǎn)前總能在實(shí)驗(yàn)室或辦公室看到他的身影。累了困了，就喝又濃又苦的咖啡。

他們自力更生，披荊斬棘，最終成功研制了兩臺具有獨(dú)立知識產(chǎn)權(quán)的冷原子銫噴泉鐘，這是國際上第二家實(shí)現(xiàn)了超高穩(wěn)定的光生微波源，穩(wěn)定度和不確定度性能達(dá)到世界先進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了“北京時間”的自主的校準(zhǔn)，確保特殊時期國家標(biāo)準(zhǔn)時間的準(zhǔn)確性，真正“守住了國家時間”。

近20年來，他建立起的國家授時中心量子頻標(biāo)研究室已擁有近百名中青年科研人員，成為國際上具有一定影響力的“時頻研究團(tuán)隊(duì)”。

他們始終著眼國家需求和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，攀登一座又一座高峰：聯(lián)合國內(nèi)力量研制出世界最小的芯片原子鐘，與國際最好的美國產(chǎn)品同性能，但體積小了一半；與企業(yè)合作研發(fā)了國際首款激光抽運(yùn)新型小銫鐘產(chǎn)品，打破了美國小銫鐘獨(dú)家壟斷并出口歐洲，裝備于國家標(biāo)準(zhǔn)時間、北斗、5G、電力和國防等系統(tǒng)，2021年起多臺小銫鐘數(shù)據(jù)陸續(xù)在國際原子時計(jì)算中取得貢獻(xiàn)權(quán)重，國內(nèi)首次；繼美國之后，世界第二家研制了能夠進(jìn)行守時的銣原子噴泉鐘；研制建立了我國多手段融合的世界時自主測量與服務(wù)系統(tǒng)……

“我們發(fā)展了多技術(shù)手段的守時和授時服務(wù)系統(tǒng)，有效地滿足了國家需求?！睆埵讋傆行判拿枥L更多藍(lán)圖：從基礎(chǔ)研究到技術(shù)攻關(guān)，從系統(tǒng)集成到應(yīng)用服務(wù)，支撐國家高質(zhì)量發(fā)展。2015年，他在國際上率先提出天地一體的彈性國家授時體系架構(gòu)，目前在主持實(shí)施著相關(guān)的國家重大科技工程，包括“十三五”國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施“高精度地基授時系統(tǒng)”。

與“時”俱進(jìn)

張首剛與時間頻率事業(yè)結(jié)緣純屬偶然。

1990年大學(xué)畢業(yè)后，張首剛因成績優(yōu)秀被推薦來到中科院陜西天文臺攻讀碩士學(xué)位。最初，他被導(dǎo)師劉海峰的事跡所感染。

“劉老師當(dāng)時為了研制一臺基準(zhǔn)型激光抽運(yùn)大銫鐘，舉家搬遷到西北，讓我很感動，也覺得這件事真的很重要?！彪S著學(xué)習(xí)的深入，張首剛逐漸了解到美國、法國已研發(fā)出了這樣的大銫鐘，而且只有美國掌握著小銫鐘技術(shù)，產(chǎn)品獨(dú)家壟斷。

張首剛回憶，當(dāng)時國家授時中心用于守時的小銫鐘完全依賴進(jìn)口，“不僅價格昂貴，而且人家任何時間都可以來檢查，只能在規(guī)定地方應(yīng)用，不準(zhǔn)轉(zhuǎn)借他人使用，各種要求十分苛刻。包括鐘的部件維修、壽命到期更換等，中國人都不能參與?！?/p>

從那時起，立志造出“中國鐘”的種子，在張首剛心中扎根。

如今，他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)不僅自主研制出了國際先進(jìn)的基準(zhǔn)型銫原子噴泉鐘，世界首款光抽運(yùn)小銫鐘產(chǎn)品，更是研制出了9種不同應(yīng)用類型的新型原子鐘。

對于造鐘，張首剛要求精益求精，而對于生活，他并不“定時”，飯點(diǎn)還在討論問題，深夜還在工作已是幾十年的習(xí)慣。

這位工作中的“鐵漢”，家人卻是他內(nèi)心最為柔弱的軟肋。“他們都對我很支持，尤其是夫人，她不只是理解我，同時還毫無怨言地照顧和幫助我們的家人。”成家多年，他們聚少離多，提到家人時，張首剛哽咽了。

后來，女兒到陜西讀大學(xué)，那是張首剛與女兒相處最久的一段時間，幫女兒洗洗衣服、聽聽女兒學(xué)校見聞……至今提起來，他都滿是幸福。

張首剛說，我國時間頻率研究和服務(wù)整體躋身世界先進(jìn)行列，但他們還不到“慶功”的時刻，“我們在原始創(chuàng)新、基礎(chǔ)理論，以及關(guān)鍵材料和器件方面還相對落后，必須加倍努力?！?/p>

夏日的西安，驕陽似火，室外溫度超過39 ，但熙來攘往的地鐵四號線站點(diǎn)，“陜西省最美科技工作者”宣傳海報上，張首剛的一行介紹——“于空白處落筆，雕刻精準(zhǔn)北京時間；在寂寞中前行，鑄就授時國之重器”，如一杯清茶，一掬清泉，沁人心脾，鼓舞著為科技奮斗的人們不斷向前。

張首剛（中）與同事討論（授時中心供圖）

張首剛正在做實(shí)驗(yàn)（授時中心供圖）

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