張東亮

在劉慈欣的科幻小說《中國太陽》中，科學(xué)家通過人造太陽為人類帶來“終極能源”，而出生在煤礦的孩子，成為了人造太陽工程的工作人員。在現(xiàn)實(shí)中，張杰團(tuán)隊(duì)研究的快點(diǎn)火激光聚變物理過程，就是探索如何在實(shí)驗(yàn)中“再造小太陽”，模擬太陽中的核聚變反應(yīng)。而核聚變能的效率，是化石能源的1000萬倍以上，而且非常安全和清潔！一旦成功，就意味著我國將徹底告別化石能源。像漫威宇宙里鋼鐵俠胸前的能量源、《流浪地球》里的推動(dòng)地球前進(jìn)的核聚變發(fā)動(dòng)機(jī)，都有可能成為現(xiàn)實(shí)。9月12日，這個(gè)尋找人類取之不盡的終極能源的科技牛人，獲得了有“中國諾獎(jiǎng)”之稱的未來科學(xué)大獎(jiǎng)，及100萬美元（約650萬元）獎(jiǎng)金！

造出我國首臺(tái)飛秒激光裝置

在中國科學(xué)家中，張杰頗有知名度，尤其在X射線激光和強(qiáng)場物理研究領(lǐng)域，享有很高的學(xué)術(shù)地位和國際聲望。未來科學(xué)大獎(jiǎng)給張杰的頒獎(jiǎng)理由是：“獎(jiǎng)勵(lì)他通過調(diào)控激光與物質(zhì)相互作用，產(chǎn)生精確可控的超短脈沖快電子束，并將其應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)超高時(shí)空分辨高能電子衍射成像，和激光核聚變的快點(diǎn)火研究?！?/p>

通俗地說，張杰的獲獎(jiǎng)理由就是，利用激光與“靶”相互作用，產(chǎn)生出超短的高能電子脈沖，對(duì)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的超快變化拍出微觀世界演化的電影;同時(shí)這樣的高能電子束還可以像火柴一樣，對(duì)實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)生的高溫高密的聚變靶丸進(jìn)行點(diǎn)火，實(shí)現(xiàn)人造小太陽，獲得聚變能。

作為一名物理學(xué)家，張杰對(duì)自然科學(xué)的興趣開始于父親的啟蒙。張杰1958年出生于山西太原市，從小隨父母在內(nèi)蒙古支邊。小時(shí)候，張杰在爸爸的帶領(lǐng)下搞了很多“小發(fā)明”貼補(bǔ)家用。當(dāng)?shù)夭菰瞎庞幸环N土雞，個(gè)子很大，雞蛋也很大，但是下蛋不勤。于是父子倆就想做提高下蛋率的“品種改良”。他們利用雙金屬片受熱彎曲的特性，做了一個(gè)簡易的溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)器，再將多層瓦楞紙糊成的保溫孵蛋箱放在炕上加熱，達(dá)到一定溫度后雙金屬片便會(huì)彎曲，于是馬上通風(fēng)、降低箱內(nèi)溫度，等雙金屬片恢復(fù)原狀，再停止通風(fēng)保持恒溫。這是張杰小時(shí)候的第一個(gè)物理實(shí)驗(yàn)。

上初中時(shí)，內(nèi)蒙古因?yàn)檫呥h(yuǎn)地區(qū)缺乏老師，英語課只好停上。張杰的媽媽偶然發(fā)現(xiàn)陜西廣播電臺(tái)有廣播英語節(jié)目，就鼓勵(lì)兒子自學(xué)。英語廣播每天早、中、晚播送3次，由于自制的收音機(jī)性能有限，中午那次播音的噪音太大，只能勉強(qiáng)收到早晚兩次播音的短波信號(hào)。于是每天早晨6點(diǎn)鐘，媽媽就把他叫醒、收聽英語廣播;到了深夜，媽媽又會(huì)把打瞌睡的張杰叫醒，繼續(xù)收聽廣播。就這樣，他熟練掌握了英語。

高考恢復(fù)后，張杰考入內(nèi)蒙古大學(xué)物理系。獲得學(xué)士、碩士學(xué)位后，他又考入中國科學(xué)院物理研究所，師從著名物理學(xué)家王天眷和張道中教授。1988年獲得博士學(xué)位后，他赴德國馬普量子光學(xué)所從事研究工作，兩年后來到英國盧瑟福實(shí)驗(yàn)室和牛津大學(xué)物理系，利用盧瑟福實(shí)驗(yàn)室的“火神”高能量激光裝置，開展高能量密度物理的前沿研究。在此期間，他與研究團(tuán)隊(duì)成員多次打破X射線激光飽和輸出最短波長的世界紀(jì)錄——從20納米、15納米一直到接近“水窗”波長的5.8納米的飽和X射線激光輸出。

一晃，張杰在國外工作和生活了10年。張杰說，他剛到歐洲的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)德國的超市在夜里都開著燈、家家有汽車、高速公路四通八達(dá)，感覺很震撼。他當(dāng)時(shí)就想，我們中國人什么時(shí)候才能過上這樣的生活??？盡管國外的薪水非常豐厚，少說也是他在國內(nèi)的幾十倍，但當(dāng)時(shí)由于我國嚴(yán)重缺乏他這樣的物理學(xué)頂級(jí)人才，1999年接到祖國的召喚后，張杰毅然回到北京，根據(jù)組織安排，到中科院物理所工作。

那時(shí)中國的科研條件還很困難，他剛回國的時(shí)候，沒有實(shí)驗(yàn)室、沒有研究設(shè)備、缺少科研經(jīng)費(fèi)。當(dāng)時(shí)張杰就和物理所的庫房管理處達(dá)成了一個(gè)協(xié)議：如果其他課題組有了要報(bào)廢的設(shè)備，就第一時(shí)間通知他，他去看看，能不能給自己的項(xiàng)目用?！拔覀?cè)缙诘囊恍?shí)驗(yàn)設(shè)備就是從庫房里找的，別人不要了，我們撿回來，修好再用。現(xiàn)在回頭看，這些克服困難的過程都是人生中的財(cái)富?！?/p>

就這樣，張杰和同事魏志義一起，造出了我國第一臺(tái)太瓦級(jí)飛秒激光裝置，及先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)診斷設(shè)備。這臺(tái)被張杰命名為“極光一號(hào)”的飛秒激光裝置，是當(dāng)時(shí)高能量密度物理研究必不可少的設(shè)備。之后，隨著我國對(duì)科研經(jīng)費(fèi)投入的增多，“極光二號(hào)”、“極光三號(hào)”以及大量實(shí)驗(yàn)診斷設(shè)備的相繼建成，張杰研究組的科研條件得到了全面改善。

中國“人造小太陽”

在實(shí)驗(yàn)室里“再造小太陽”

2003年，45歲的張杰當(dāng)選中國科學(xué)院院士，之后相繼被德國國家科學(xué)院、第三世界科學(xué)院、英國皇家工程院、美國國家科學(xué)院選為院士和外籍院士。這種在世界上有5個(gè)院士頭銜的人，在整個(gè)中國都非常罕見。

2006年，張杰出任上海交通大學(xué)校長，成為建國以來交大史上最年輕的校長。任職的11年里，他與同事們共同努力，使上海交大成為全球發(fā)展最快的大學(xué)之一。

張杰帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)，在快電子束產(chǎn)生和應(yīng)用方面取得了一系列重要突破。2015年，他獲得愛德華·泰勒獎(jiǎng)?wù)?，這是激光聚變與高能量密度物理研究領(lǐng)域，最重要得國際獎(jiǎng)項(xiàng)，張杰也有幸成為獲得該獎(jiǎng)的首位華人科學(xué)家。

多年來，張杰和世界上得其他物理學(xué)家，都一直被一個(gè)重大問題所困擾。那就是，煤炭、石油、天然氣這些化石能源，隨著工業(yè)的快速發(fā)展需求量越來越大，終有一天將被耗盡，人類面臨著嚴(yán)重的能源和環(huán)境危機(jī)。比如煤炭和石油燃燒會(huì)產(chǎn)生碳排放，污染空氣，而且造成全球變暖。其實(shí)危險(xiǎn)已經(jīng)迫在眉睫了。

當(dāng)然人們已經(jīng)想了很多辦法，嘗試使用太陽能、風(fēng)能、水能這些可再生能源。但這些能源也有一個(gè)問題——都是間歇性能源。比如太陽能，就非常依賴日照條件，因此在電網(wǎng)里，可再生能源的占比不能太高，目前的主能源還是化石能源。

在劉慈欣的科幻小說《中國太陽》中，科學(xué)家通過人造太陽，替代化石能源，為人類帶來取之不盡的終極清潔能源，而出生在煤礦的孩子，成為了人造太陽工程的工作人員。在現(xiàn)實(shí)中，這個(gè)神話真能實(shí)現(xiàn)嗎？張杰卻直截了當(dāng)?shù)卣f，答案是肯定的！

萬物生長靠太陽?？梢哉f，太陽是地球最大的能量來源，它的表面溫度約6000攝氏度，內(nèi)核溫度約1500萬攝氏度，像一個(gè)熊熊燃燒的大火球，每秒鐘可散發(fā)出相當(dāng)于1億億噸煤炭完全燃燒產(chǎn)生的能量。太陽為什么能產(chǎn)生這么大的能量？因其內(nèi)部持續(xù)不斷的核聚變反應(yīng)。而支撐這種聚變反應(yīng)的主要原材料氘，在地球上的儲(chǔ)量極其豐富。

曾有人問他，那么為啥有了太陽，還要造“太陽”呢？張杰解釋說，據(jù)測算，從1升海水中提煉出的氘，經(jīng)核聚變反應(yīng)后釋放的能量，相當(dāng)于300升汽油燃燒的能量。而一立方公里海水所含的氘，經(jīng)過聚變反應(yīng)產(chǎn)生的能量，就相當(dāng)于地球上所有石油儲(chǔ)備產(chǎn)生的總能量。

而海洋中蘊(yùn)藏著約40萬億噸氘，如果人類可以掌控這種能量，理論上用于聚變反應(yīng)釋放的能量足夠人類使用上百億年，幾乎無窮無盡。因此，模仿太陽聚變反應(yīng)原理造一個(gè)“太陽”，被科學(xué)家們認(rèn)為是解決人類能源危機(jī)的最佳方案。

核聚變的原理是由質(zhì)量較小的原子——如氫的同位素氘、氚，在極高溫條件下使核外電子擺脫原子核的束縛，兩個(gè)原子核相互碰撞聚合，生成新的質(zhì)量更重的原子核氦，由于質(zhì)量虧損和質(zhì)能轉(zhuǎn)換，釋放巨大的能量。

“簡單來說，地球上‘最容易實(shí)現(xiàn)的氘氚核聚變反應(yīng)的最終生成物，是氦和攜帶能量的中子，而氦是非常清潔的?！睆埥苷f，一說到核裂變，人們對(duì)它還是有點(diǎn)恐懼，擔(dān)心它的核廢料有放射性。而聚變能源不產(chǎn)生核廢料，沒有碳排放，沒有放射性廢料，也不會(huì)出現(xiàn)燃料棒熔斷的災(zāi)難。這是一種清潔能源。

張杰說，可控核聚變所需要的原料，是氫元素中的兩個(gè)同位素氘和氚。氘可從海水中提取，氚可以由地球上儲(chǔ)量非常豐富的鋰生成?！半啊庇置貧洌胨テ?2年，它與氘之間的聚變反應(yīng)相對(duì)起來最容易。

但人類若想要在地球上成功實(shí)現(xiàn)受控?zé)岷司圩兎磻?yīng)，從而獲得巨大能量，就必須創(chuàng)造以下三個(gè)必要條件。一是極高的溫度，以使氘氚燃料成為超過1億攝氏度的熱等離子體;二是極高的密度，以使氘氚原子核發(fā)生量子隧穿的概率變大，而且便于將聚變產(chǎn)生的阿爾法粒子能量，留下來繼續(xù)參與核聚變反應(yīng);三是等離子體在有限的空間里被約束足夠長時(shí)間。

張杰說，激光具有極好的方向性、相干性和偏振等特點(diǎn)，因此，激光和物質(zhì)相互作用可以產(chǎn)生精確可控的超短脈沖高能電子束。一方面，高能電子束可以將其攜帶的能量，精準(zhǔn)地輸運(yùn)到預(yù)先壓縮的聚變?nèi)剂现?，?shí)現(xiàn)快速加熱，引發(fā)核聚變反應(yīng)。核聚變能的效率，更是化石能源的1000萬倍以上！

獲得2021年“未來科學(xué)大獎(jiǎng)”

有趣的是，在搞研究的過程種，張杰和團(tuán)隊(duì)成員并沒有感到枯燥。他調(diào)侃說，自己并不太贊成將學(xué)習(xí)和科學(xué)研究，比喻作“學(xué)海無涯苦做舟”的苦行僧文化?！捌鋵?shí)，科學(xué)探索的根本驅(qū)動(dòng)力是人的好奇心，這個(gè)過程是非常快樂的。很多時(shí)候，我們過分強(qiáng)調(diào)了科學(xué)研究的枯燥，其實(shí)探索自然界奧秘的好奇心和解決難題的滿足感，是對(duì)科學(xué)家探索最大的激勵(lì)。”他開玩笑說，這要比美食、游戲或其它娛樂活動(dòng)，所產(chǎn)生的多巴胺要強(qiáng)得多。

張杰平時(shí)喜歡運(yùn)動(dòng)，現(xiàn)在每兩天跑一個(gè)8公里，再做一些力量訓(xùn)練。他認(rèn)為，強(qiáng)健的身體是保持高效工作的重要基礎(chǔ)，也會(huì)給自己帶來一些額外的快樂。

除了運(yùn)動(dòng)，張杰也非常喜歡閱讀和音樂，這能讓他換一種思維，對(duì)科學(xué)研究有非常好的促進(jìn)作用。思考一個(gè)問題的時(shí)候，有時(shí)會(huì)一直卡在某個(gè)地方，這時(shí)換一換腦子，做些運(yùn)動(dòng)、聽聽音樂，回過頭來再研究，就能找到一個(gè)不同的解決思路。

張杰說，到目前為止，人類對(duì)受控核聚變的研究主要分為兩類。一是磁約束核聚變，典型的實(shí)驗(yàn)裝置，如中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院的——全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置（EAST），以及法國的ITER實(shí)驗(yàn)裝置。二是激光核聚變，典型的實(shí)驗(yàn)裝置，如我國的神光激光裝置，及美國的國家點(diǎn)火裝置（NIF）。

激光核聚變由燃料壓縮和加熱兩個(gè)階段組成。張杰解釋說，傳統(tǒng)的中心點(diǎn)火激光核聚變方案，需要使用巨大能量的激光裝置，對(duì)氘氚燃料進(jìn)行同步的壓縮和點(diǎn)火，而這個(gè)過程會(huì)涉及極其復(fù)雜的非線性物理過程。但是由于效率不高，未來真正作為核聚變能量的產(chǎn)生，還需要探索新的點(diǎn)火方案。

張杰團(tuán)隊(duì)目前正在探索一種新的點(diǎn)火方案，采用特殊設(shè)計(jì)的激光波形與靶構(gòu)型，將壓縮過程與點(diǎn)火過程分離，并通過精確調(diào)控的超短脈沖高能電子束對(duì)壓縮后的燃料進(jìn)行快速點(diǎn)火，降低物理上的不穩(wěn)定性，同時(shí)提高激光能量到點(diǎn)火能量的效率。

其中對(duì)超短脈沖高能電子束的精確調(diào)控，是點(diǎn)火的關(guān)鍵。多年來，張杰團(tuán)隊(duì)經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)與理論的研究，實(shí)現(xiàn)了對(duì)高能電子束發(fā)射方向與能量的精確調(diào)控，并實(shí)現(xiàn)了表面自生電磁場對(duì)高能電子束的引導(dǎo)和聚焦。

“我們的激光聚變實(shí)驗(yàn)研究，主要是使用我國自主研制的神光二號(hào)大型激光裝置，目前我們的方案已經(jīng)完成了6輪實(shí)驗(yàn)，并取得了不小的進(jìn)展?！苯酉聛?，張杰團(tuán)隊(duì)還會(huì)在神光二號(hào)激光裝置進(jìn)一步升級(jí)的同時(shí)，再做12輪實(shí)驗(yàn)，他們的標(biāo)是在2026年，驗(yàn)證阿爾法粒子的自加熱，為快點(diǎn)火方案的實(shí)現(xiàn)提供堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。核聚變兩大產(chǎn)物之一是阿爾法粒子，“每個(gè)阿爾法粒子帶有3.5兆電子伏能量，在實(shí)驗(yàn)中我們會(huì)想辦法把這個(gè)能量留下來，以便繼續(xù)加熱氘氚等離子體，實(shí)現(xiàn)自持燃燒?！?p>

張杰舉起冠軍獎(jiǎng)杯祝賀國科大排球隊(duì)奪取冠軍

張杰說：“人類為磁約束核聚變和激光核聚變反應(yīng)點(diǎn)火的實(shí)現(xiàn)，已經(jīng)努力幾十年?！比缃襁@兩種核聚變的研究道路都“走到了門檻”：核聚變輸出的能量和輸入的能量達(dá)到平衡點(diǎn)。這個(gè)門檻一旦越過，下一步，就是讓輸出能量達(dá)到輸入能量的10倍、100倍的目標(biāo)，那時(shí)核聚變能源的商用就將成為現(xiàn)實(shí)，就可以建立大型商用電站了。

張杰調(diào)侃說，可控核聚變一旦成功，就意味著，漫威宇宙里鋼鐵俠胸前的能量源、《流浪地球》里的推動(dòng)地球前進(jìn)的核聚變發(fā)動(dòng)機(jī)，都有可能成為現(xiàn)實(shí)。

如今，張杰院士的研究團(tuán)隊(duì)，已經(jīng)成為在國際上有重要影響的協(xié)同創(chuàng)新中心，繼續(xù)在激光聚變和高能量密度物理研究領(lǐng)域探索著。

9月12日上午，未來科學(xué)大獎(jiǎng)在北京公布2021年獲獎(jiǎng)名單。這一被稱為“中國諾獎(jiǎng)”的榮譽(yù)獎(jiǎng)勵(lì)，設(shè)置“生命科學(xué)獎(jiǎng)”、“物質(zhì)科學(xué)獎(jiǎng)”和“數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)獎(jiǎng)”三大獎(jiǎng)項(xiàng)，單項(xiàng)獎(jiǎng)金100萬美元（約650萬元）。張杰院士獲得了其中的“物質(zhì)科學(xué)獎(jiǎng)”。他也是此次唯一未來科學(xué)大獎(jiǎng)境內(nèi)獲獎(jiǎng)人。

大獎(jiǎng)主要表彰他通過調(diào)控激光與物質(zhì)相互作用，產(chǎn)生精確可控的超短脈沖快電子束，并將其應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)超高時(shí)空分辨高能電子衍射成像，及激光核聚變的快點(diǎn)火研究。

張杰說他最想與家人分享這份喜悅，“多年來，他們一直陪伴著我，特別是我的父母親，他們?cè)跇O其艱難的歲月里，培養(yǎng)了我對(duì)科學(xué)的熱愛和對(duì)生活的樂觀?！?/p>

此外，張杰也提到了物理學(xué)家的責(zé)任，他認(rèn)為物理學(xué)家有責(zé)任解決人類社會(huì)面臨的最具挑戰(zhàn)性的問題，探索自然界最不可思議的奧秘。他說，如果聚變能源能夠早日實(shí)現(xiàn)，將是人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的根本保證。