“未來科學大獎”獲得者張杰：實驗室里“再造小太陽”

張東亮

在劉慈欣的科幻小說《中國太陽》中，科學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)實中，張杰團隊研究的快點火激光聚變物理過程，就是探索如何在實驗中“再造小太陽”，模擬太陽中的核聚變反應。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》里的推動地球前進的核聚變發(fā)動機，都有可能成為現(xiàn)實。9月12日，這個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”之稱的未來科學大獎，及100萬美元（約650萬元）獎金！

造出我國首臺飛秒激光裝置

在中國科學家中，張杰頗有知名度，尤其在X射線激光和強場物理研究領域，享有很高的學術地位和國際聲望。未來科學大獎給張杰的頒獎理由是：“獎勵他通過調控激光與物質相互作用，產生精確可控的超短脈沖快電子束，并將其應用于實現(xiàn)超高時空分辨高能電子衍射成像，和激光核聚變的快點火研究?！?/p>

通俗地說，張杰的獲獎理由就是，利用激光與“靶”相互作用，產生出超短的高能電子脈沖，對物質微觀結構的超快變化拍出微觀世界演化的電影;同時這樣的高能電子束還可以像火柴一樣，對實驗室產生的高溫高密的聚變靶丸進行點火，實現(xiàn)人造小太陽，獲得聚變能。

作為一名物理學家，張杰對自然科學的興趣開始于父親的啟蒙。張杰1958年出生于山西太原市，從小隨父母在內蒙古支邊。小時候，張杰在爸爸的帶領下搞了很多“小發(fā)明”貼補家用。當?shù)夭菰瞎庞幸环N土雞，個子很大，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，做了一個簡易的溫度自動調節(jié)器，再將多層瓦楞紙糊成的保溫孵蛋箱放在炕上加熱，達到一定溫度后雙金屬片便會彎曲，于是馬上通風、降低箱內溫度，等雙金屬片恢復原狀，再停止通風保持恒溫。這是張杰小時候的第一個物理實驗。

上初中時，內蒙古因為邊遠地區(qū)缺乏老師，英語課只好停上。張杰的媽媽偶然發(fā)現(xiàn)陜西廣播電臺有廣播英語節(jié)目，就鼓勵兒子自學。英語廣播每天早、中、晚播送3次，由于自制的收音機性能有限，中午那次播音的噪音太大，只能勉強收到早晚兩次播音的短波信號。于是每天早晨6點鐘，媽媽就把他叫醒、收聽英語廣播;到了深夜，媽媽又會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。

高考恢復后，張杰考入內蒙古大學物理系。獲得學士、碩士學位后，他又考入中國科學院物理研究所，師從著名物理學家王天眷和張道中教授。1988年獲得博士學位后，他赴德國馬普量子光學所從事研究工作，兩年后來到英國盧瑟福實驗室和牛津大學物理系，利用盧瑟福實驗室的“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，他與研究團隊成員多次打破X射線激光飽和輸出最短波長的世界紀錄——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，感覺很震撼。他當時就想，我們中國人什么時候才能過上這樣的生活??？盡管國外的薪水非常豐厚，少說也是他在國內的幾十倍，但當時由于我國嚴重缺乏他這樣的物理學頂級人才，1999年接到祖國的召喚后，張杰毅然回到北京，根據組織安排，到中科院物理所工作。

那時中國的科研條件還很困難，他剛回國的時候，沒有實驗室、沒有研究設備、缺少科研經費。當時張杰就和物理所的庫房管理處達成了一個協(xié)議：如果其他課題組有了要報廢的設備，就第一時間通知他，他去看看，能不能給自己的項目用?！拔覀冊缙诘囊恍嶒炘O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富。”

就這樣，張杰和同事魏志義一起，造出了我國第一臺太瓦級飛秒激光裝置，及先進的實驗診斷設備。這臺被張杰命名為“極光一號”的飛秒激光裝置，是當時高能量密度物理研究必不可少的設備。之后，隨著我國對科研經費投入的增多，“極光二號”、“極光三號”以及大量實驗診斷設備的相繼建成，張杰研究組的科研條件得到了全面改善。

中國“人造小太陽”

在實驗室里“再造小太陽”

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

2006年，張杰出任上海交通大學校長，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)展最快的大學之一。

張杰帶領團隊，在快電子束產生和應用方面取得了一系列重要突破。2015年，他獲得愛德華·泰勒獎章，這是激光聚變與高能量密度物理研究領域，最重要得國際獎項，張杰也有幸成為獲得該獎的首位華人科學家。

多年來，張杰和世界上得其他物理學家，都一直被一個重大問題所困擾。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，人類面臨著嚴重的能源和環(huán)境危機。比如煤炭和石油燃燒會產生碳排放，污染空氣，而且造成全球變暖。其實危險已經迫在眉睫了。

當然人們已經想了很多辦法，嘗試使用太陽能、風能、水能這些可再生能源。但這些能源也有一個問題——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)實中，這個神話真能實現(xiàn)嗎？張杰卻直截了當?shù)卣f，答案是肯定的！

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

曾有人問他，那么為啥有了太陽，還要造“太陽”呢？張杰解釋說，據測算，從1升海水中提煉出的氘，經核聚變反應后釋放的能量，相當于300升汽油燃燒的能量。而一立方公里海水所含的氘，經過聚變反應產生的能量，就相當于地球上所有石油儲備產生的總能量。

而海洋中蘊藏著約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，模仿太陽聚變反應原理造一個“太陽”，被科學家們認為是解決人類能源危機的最佳方案。

核聚變的原理是由質量較小的原子——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，兩個原子核相互碰撞聚合，生成新的質量更重的原子核氦，由于質量虧損和質能轉換，釋放巨大的能量。

“簡單來說，地球上‘最容易實現(xiàn)的氘氚核聚變反應的最終生成物，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，人們對它還是有點恐懼，擔心它的核廢料有放射性。而聚變能源不產生核廢料，沒有碳排放，沒有放射性廢料，也不會出現(xiàn)燃料棒熔斷的災難。這是一種清潔能源。

張杰說，可控核聚變所需要的原料，是氫元素中的兩個同位素氘和氚。氘可從海水中提取，氚可以由地球上儲量非常豐富的鋰生成?！半啊庇置貧?，半衰期12年，它與氘之間的聚變反應相對起來最容易。

但人類若想要在地球上成功實現(xiàn)受控熱核聚變反應，從而獲得巨大能量，就必須創(chuàng)造以下三個必要條件。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，而且便于將聚變產生的阿爾法粒子能量，留下來繼續(xù)參與核聚變反應;三是等離子體在有限的空間里被約束足夠長時間。

張杰說，激光具有極好的方向性、相干性和偏振等特點，因此，激光和物質相互作用可以產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，精準地輸運到預先壓縮的聚變燃料中，實現(xiàn)快速加熱，引發(fā)核聚變反應。核聚變能的效率，更是化石能源的1000萬倍以上！

獲得2021年“未來科學大獎”

有趣的是，在搞研究的過程種，張杰和團隊成員并沒有感到枯燥。他調侃說，自己并不太贊成將學習和科學研究，比喻作“學海無涯苦做舟”的苦行僧文化?！捌鋵?，科學探索的根本驅動力是人的好奇心，這個過程是非?？鞓返?。很多時候，我們過分強調了科學研究的枯燥，其實探索自然界奧秘的好奇心和解決難題的滿足感，是對科學家探索最大的激勵?！彼_玩笑說，這要比美食、游戲或其它娛樂活動，所產生的多巴胺要強得多。

張杰平時喜歡運動，現(xiàn)在每兩天跑一個8公里，再做一些力量訓練。他認為，強健的身體是保持高效工作的重要基礎，也會給自己帶來一些額外的快樂。

除了運動，張杰也非常喜歡閱讀和音樂，這能讓他換一種思維，對科學研究有非常好的促進作用。思考一個問題的時候，有時會一直卡在某個地方，這時換一換腦子，做些運動、聽聽音樂，回過頭來再研究，就能找到一個不同的解決思路。

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

激光核聚變由燃料壓縮和加熱兩個階段組成。張杰解釋說，傳統(tǒng)的中心點火激光核聚變方案，需要使用巨大能量的激光裝置，對氘氚燃料進行同步的壓縮和點火，而這個過程會涉及極其復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生，還需要探索新的點火方案。

張杰團隊目前正在探索一種新的點火方案，采用特殊設計的激光波形與靶構型，將壓縮過程與點火過程分離，并通過精確調控的超短脈沖高能電子束對壓縮后的燃料進行快速點火，降低物理上的不穩(wěn)定性，同時提高激光能量到點火能量的效率。

其中對超短脈沖高能電子束的精確調控，是點火的關鍵。多年來，張杰團隊經過大量的實驗與理論的研究，實現(xiàn)了對高能電子束發(fā)射方向與能量的精確調控，并實現(xiàn)了表面自生電磁場對高能電子束的引導和聚焦。

“我們的激光聚變實驗研究，主要是使用我國自主研制的神光二號大型激光裝置，目前我們的方案已經完成了6輪實驗，并取得了不小的進展?！苯酉聛恚瑥埥軋F隊還會在神光二號激光裝置進一步升級的同時，再做12輪實驗，他們的標是在2026年，驗證阿爾法粒子的自加熱，為快點火方案的實現(xiàn)提供堅實的實驗基礎。核聚變兩大產物之一是阿爾法粒子，“每個阿爾法粒子帶有3.5兆電子伏能量，在實驗中我們會想辦法把這個能量留下來，以便繼續(xù)加熱氘氚等離子體，實現(xiàn)自持燃燒。”

張杰舉起冠軍獎杯祝賀國科大排球隊奪取冠軍

張杰說：“人類為磁約束核聚變和激光核聚變反應點火的實現(xiàn)，已經努力幾十年。”如今這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到平衡點。這個門檻一旦越過，下一步，就是讓輸出能量達到輸入能量的10倍、100倍的目標，那時核聚變能源的商用就將成為現(xiàn)實，就可以建立大型商用電站了。

張杰調侃說，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》里的推動地球前進的核聚變發(fā)動機，都有可能成為現(xiàn)實。

如今，張杰院士的研究團隊，已經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域探索著。

9月12日上午，未來科學大獎在北京公布2021年獲獎名單。這一被稱為“中國諾獎”的榮譽獎勵，設置“生命科學獎”、“物質科學獎”和“數(shù)學與計算機科學獎”三大獎項，單項獎金100萬美元（約650萬元）。張杰院士獲得了其中的“物質科學獎”。他也是此次唯一未來科學大獎境內獲獎人。

大獎主要表彰他通過調控激光與物質相互作用，產生精確可控的超短脈沖快電子束，并將其應用于實現(xiàn)超高時空分辨高能電子衍射成像，及激光核聚變的快點火研究。

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，他們在極其艱難的歲月里，培養(yǎng)了我對科學的熱愛和對生活的樂觀。”

此外，張杰也提到了物理學家的責任，他認為物理學家有責任解決人類社會面臨的最具挑戰(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現(xiàn)，將是人類社會可持續(xù)發(fā)展的根本保證。