張杰，造“太陽”的人

張東亮

在中國科學(xué)家中，張杰在X射線激光和強場物理研究領(lǐng)域享有很高的學(xué)術(shù)地位和國際聲望。作為一名物理學(xué)家，張杰對自然科學(xué)的興趣始于父親的啟蒙。張杰從小隨父母到內(nèi)蒙古支邊。小時候，張杰在爸爸的帶領(lǐng)下搞了很多小發(fā)明。草原上有一種土雞，個子很大，雞蛋也很大，但是下蛋不勤。于是父子倆就想做“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(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，達到一定溫度后雙金屬片便會彎曲，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，以此提高土雞的產(chǎn)蛋率。這是張杰小時候接觸的第一個物理實驗。

恢復(fù)高考后，張杰考入內(nèi)蒙古大學(xué)物理系。之后，他又考入中科院物理研究所。后來，他來到英國盧瑟福實驗室和牛津大學(xué)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。1999年，張杰回到中科院物理所工作。45歲時，張杰當(dāng)選中國科學(xué)院院士。2006年，他出任上海交通大學(xué)校長。

多年來，張杰和世界上的其他物理學(xué)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，終有一天將被耗盡，人類面臨著嚴重的能源和環(huán)境危機。當(dāng)然人們已經(jīng)想了很多辦法，嘗試著使用太陽能、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，而出生在煤礦區(qū)的孩子，成為人造太陽工程的工作人員。在現(xiàn)實中，這個神話真的能實現(xiàn)嗎？張杰直截了當(dāng)?shù)卣f：“能！”

萬物生長靠太陽?？梢哉f，太陽是一個熊熊燃燒的大火球，它的表面溫度約6000℃，內(nèi)核溫度約1500萬℃，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，在地球上的儲量極其豐富。張杰說，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升汽油燃燒所生產(chǎn)的能量。而1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備產(chǎn)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，用于聚變反應(yīng)釋放的能量就足夠人類使用上百億年。而如何引發(fā)這種聚變反應(yīng)和釋放能量，張杰興致勃勃地解釋說，用激光。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)地輸運到預(yù)先壓縮的聚變?nèi)剂现?，實現(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。

有趣的是，在搞研究的過程中，張杰和團隊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)研究比喻成“學(xué)海無涯苦作舟”的苦行文化?！捌鋵?，科學(xué)探索的根本驅(qū)動力是人的好奇心，這個過程是非?？鞓返摹：芏鄷r候，我們過分強調(diào)了科學(xué)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(xué)家探索最大的激勵?！彼_玩笑說，這要比美食、游戲或其他娛樂活動所產(chǎn)生的多巴胺要多得多。

張杰平時喜歡運動，現(xiàn)在他每兩天跑一次8公里，再做一些力量訓(xùn)練。他認為，強健的身體是保持高效工作的重要基礎(chǔ)，也會給自己帶來一些額外的快樂。除了運動，他還喜歡閱讀和音樂，這能讓他換一種思維，對科學(xué)研究有非常好的促進作用。他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，激光核聚變能順利實現(xiàn)，關(guān)鍵在于找到合適的“點火方案”。張杰正帶領(lǐng)團隊探索一種新的點火方案，以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(diào)控，是點火的關(guān)鍵。多年來，張杰帶領(lǐng)團隊經(jīng)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(diào)控，并實現(xiàn)了表面自生電磁場對高能電子束的引導(dǎo)和聚焦。張杰說：“人類為磁約束核聚變和激光核聚變反應(yīng)點火的實現(xiàn)，已經(jīng)努力了幾十年?！比缃癯Ｓ玫膬煞N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(biāo)，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(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》里推動地球前進的核聚變發(fā)動機，都有可能變成現(xiàn)實。如今，張杰的研究團隊已經(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。

2021年9月12日上午，未來科學(xué)大獎主辦方在北京公布2021年獲獎名單。張杰院士獲得了其中的“物質(zhì)科學(xué)獎”。未來科學(xué)大獎評獎機構(gòu)給張杰的頒獎理由是：“獎勵他通過調(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>

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(xué)的熱愛和對生活的樂觀?！?/p>

（責(zé)任編輯/劉大偉 張金余）