仰望星空，北斗璀璨。年7月31日，中国北斗三号全球卫星导航系统正式开通。北斗系统的定位功能建立在时间的精准测量之上，原子钟被称为是导航卫星的心脏。梅刚华团队踔厉奋斗、呕心沥血，让这颗“心脏”生机勃勃。本版刊发著名作家*传会报告文学新作，讲述梅刚华与北斗的故事。
▲梅刚华研究员在工作
一
采访我国著名原子钟专家、中科院精密测量科学与技术创新研究院（简称精密测量院）的梅刚华研究员，我们却是先从文学聊起的。
“*老师，我知道您是写报告文学的，我喜欢报告文学。”
“哦？”我有点儿意外。
“我读过徐迟的《歌德巴赫猜想》。”
“那是什么时候？”
“四十多年前，我还没有上大学。读了这篇文章，陈景润的故事，徐迟的文笔给我留下终生难忘的印象。”
我问：“是不是从那时候开始，您就想做陈景润那样的科学家？”
梅刚华笑了，“那么大的雄心壮志倒没有。不过，那篇文章对我下决心考大学起了很大作用。”
优秀的文学作品是能陶冶情操，激励人生的。徐迟那篇风靡一时的报告文学，激励了一代学子献身祖国的科学事业。梅刚华就属于这一代人。
梅刚华年出生于湖北*陂县（现在的武汉市*陂区），父母是县城里做竹器的工匠，小时候就喜欢动手动脑，帮大人干些简单的竹器活。读小学时和同伴一起去钓鱼，他的渔具全部是自制的，包括鱼竿和鱼篓。大一点了，他对无线电产生了兴趣，初中时就自己动手装了只矿石收音机，高中时已经能做便携式单管收音机了。年高中毕业后下乡当知青，到农村劳动锻炼，后来又在第一冶金建设公司当了两年工人。年考入武汉大学物理系。本科4年，研究生3年，学的都是半导体专业。
年，梅刚华硕士毕业，分配到中科院武汉物理与数学研究所（简称武汉物数所，精密测量院前身），开始接触原子钟。武汉物数所是专业化从事原子钟研究的单位，为我国原子钟技术发展做出过重要贡献。但在20世纪80年代中后期，由于国际国内形势变化，原子钟研究经历了一段困难时期。年，梅刚华转向基础研究，研究激光与原子束相互作用机理和技术，凭着这方面的研究成果获得了博士学位，当上了研究室副主任。10年的积淀，他练就了扎实的原子分子物理理论和实验功底。这是做原子钟研究必备的基本功。
20世纪90年代，我国北斗卫星导航系统工程立项，原子钟发展迎来了难得的机遇。这是因为，北斗系统的定位功能是建立在时间的精准测量之上的，按北斗工程总设计师孙家栋院士的说法，原子钟是导航卫星的心脏。做不出原子钟，北斗系统就建不成。
国家有关部门决策，立即开展星载原子钟技术研究。
通过激烈的竞争，武汉物数所拿到研究任务，便立即重建原子频标研究室，组建星载铷原子钟研究组。时任研究所所长叶朝辉院士亲自点将，由梅刚华出任研究室主任和研究组组长。
这是国内第一个星载原子钟国家重大项目。物数所作为抓总单位负责原子钟总体设计和物理系统研制，航天五院所负责电路系统研制。
导航卫星用的星载原子钟，是原子钟中的极品。不仅精度要求高，还要满足小型化、低功耗、可靠性、寿命和卫星环境适应性的苛刻要求，技术难度极大。当时掌握星载铷原子钟技术的国家只有美国和瑞士。
梅刚华告诉我：“刚开始的时候，我们铷钟的精度跟西方发达国家比差了两个数量级，将近倍。在可靠性、寿命、卫星环境适应性方面，更是连设计概念都没有，差不多是一片空白。”
▲梅刚华（左四）和团队成员一起分析星载铷钟测试数据
二
铷原子钟的精度主要指频率稳定度，它直接与原子跃迁信号的强度相关。
铷原子钟是根据“光-微波双共振”原理设计的。原子信号的强弱与物理系统的两个主要部件相关，一个是激励光共振信号的光谱灯，一个是激励微波共振信号的微波腔。光谱灯的作用像抽水机一样，将原子从低能级抽运到高能级。水可以自动从高处流到低处，但铷原子钟中的高能级原子，却不能自动回到低能级，必须用微波场去激励，它才能下来。所以把光谱灯做好，上去的原子就多；把微波腔做好，下来的原子就多；上去和下来的原子都多，原子信号就强，原子钟的稳定度就高。对于铷原子钟设计而言，光谱灯和微波腔是两块硬骨头。
“我们的星载铷钟研究是从微波腔起步的，”梅刚华说。“微波腔设计有两个基本的要求。第一是体积要小，不然铷钟整机的体积下不来；第二是微波场的分布模式要好，不然原子信号就弱。当时国际上比较成熟的是传统的TE_腔和TE_腔，前者的体积过大，后者的场分布模式不太好，所以在年项目启动的时候，我们就决定做一种新的微波腔。”
为了少走弯路，费了很大劲，物数所请到国际著名原子钟研究单位瑞士天文台退休专家李·约翰逊来实验室做指导。
约翰逊根据文献和自己的经验，做出了两种新结构微波腔模型，一个叫作慢波螺旋腔，一个叫作分离环腔。但效果并不理想，腔的结构松散，找共振频率困难，产生的原子信号很弱。三个月合同期一到，他便走了。
看来只能靠自己了。
有人疑惑：连瑞士专家都做不出来，我们行吗？梅刚华有信心。
两种新结构腔相比，他觉得分离环腔更有优势，关键是如何把它从一个分离的、松散的结构变为一个一体化的刚性结构。多次尝试都不见效果。一天下午，他突然想到一种方案，来不及等工厂加工，说干就干！他找来一块铜片，在上面锉了几个槽，然后卷成一个管，再用铜皮包上没开槽的那一端，塞进一个金属圆筒。在仪器上一测量，马上就看到了共振信号。他将钟达、安绍锋几个骨干叫来，大家一看，都很兴奋。
趁热打铁。第二天，他到工厂加工了一个正式样件。再次测量，发现共振信号不仅还在，而且很强。短短两三天时间，一种新结构微波腔——梅刚华把它命名为开槽管微波腔——雏形就出来了。开槽管微波腔后来获得中国和美国专利授权，到现在仍然是精密测量院星载铷钟的主要设计特征。这种微波腔不仅体积小，场分布模式也很好，可以利用小体积原子气室获得高强度原子跃迁信号，这样就从根本上解决了铷原子钟高精度和小型化之间的矛盾。
铷光谱灯的设计原理并不复杂，就是通过无极放电，使铷原子蒸气发光。但原先的设计问题很多，根本上不了天。一是光强跳变，影响铷钟的频率稳定度；二是真空里发光不正常，限制铷钟的卫星环境适应性；三是灯泡中的铷消耗太快，制约铷钟的寿命。
“解决问题，要花大量时间找原因，原因找到了，问题就解决了一大半。”梅刚华说。
光强跳变的问题困惑了他们很长一段时间。最后梅刚华让博士生赵峰找来一台摄像机对着灯泡拍“电影”，终于弄清光强跳变是液化的“铷滴”在灯泡内表面“迁移”造成的。谱灯在真空中发光不正常的问题，他们通过大量实验，发现是由于灯泡散热不通畅，导致灯泡温度过高造成的。
灯泡玻璃材料试验持续了十年之久。他们让三个谱灯长期点亮工作，每个月测量一次灯泡中的铷量，积累了近十年的测量数据。根据这些数据进行计算，得到了精确的铷消耗模型，精度比国外高出六七倍。再根据这个模型，确定了适中的充铷量，既不会因为少了而影响铷钟的寿命，又不会因为多了而产生铷迁移现象，影响铷钟的性能。
十年是三千多个日日夜夜，几多辛苦，几多心血，只为拿到一个科学的设计数据。
一台高性能铷钟，光有好的物理系统还不行，电子学系统也要做好。铷钟的频率稳定度既与原子信号强度相关，也和电路的噪声相关。对于一般精度较低的铷钟，电路的设计是不太困难的，但要做极品铷钟，电路的噪声就必须压得很低。原子钟的电路实际上是一个链条，由多个模块组成。为了判定噪声来源，他们一个个模块去找，去诊断，这里面包含了大量的仿真、模拟、测试和试验工作。
解决了物理系统原子信号强度和电路降噪的问题，铷钟的短期稳定度就基本解决了，但长期稳定度还没解决。某种意义上长稳更重要，因为导航卫星用的主要是每天的稳定度。“影响长稳的主要因素是光频移和温度频移，”梅刚华介绍：“我们开始的做法有点治标不治本，总想通过选择工作点、加强温控等外部措施来解决，效果不好。于是就系统地研究如何将原子体系自身的频移降下来。这就要改变和优化很多设计参数，比如铷泡中充入的缓冲气体的种类、配比、压力等等。这些东西最好每次只改一样，不然你的判断就不一定准确。科研就是这样，没有捷径可走，必须老老实实去做，水滴石穿，水到渠成。”
一晃，8年过去了。年，梅刚华团队研制出国内第一台星载铷钟原理样机；年，又研制出星载铷钟电性能样机，技术指标基本满足北斗系统的应用需求。
但是，真正的考验还在后头。
▲甚高精度星载铷原子钟。这是中科院精密测量科学与技术创新研究院研制的第三代星载铷钟，年装备北斗三号卫星。
三
年，北斗二号系统星载铷钟进入工程样机研制阶段。
孙家栋院士一直在