張杰：從“人造太陽”到微觀世界探索

張靜

張杰，1958年1月出生于山西省太原市，1988年在中國科學(xué)院物理研究所獲博士學(xué)位，曾任上海交通大學(xué)校長(zhǎng)，2003年當(dāng)選中國科學(xué)院院士，2007年當(dāng)選德國科學(xué)院院士。主要從事強(qiáng)場(chǎng)物理、X射線激光和“快點(diǎn)火”激光核聚變等方面的研究，在國際X射線激光和強(qiáng)場(chǎng)物理研究領(lǐng)域享有很高的學(xué)術(shù)地位和聲望。

張杰說，物理學(xué)家喜歡探索的科學(xué)問題有兩類，第一類是人類社會(huì)發(fā)展中遇到的瓶頸性難題，比如當(dāng)前人類社會(huì)發(fā)展迫切需要解決的最大難題——終極能源問題，第二類是自然界中最難以理解的奧秘，比如微觀世界的結(jié)構(gòu)與功能。

1飛秒等于1 000萬億分之一秒，在張杰團(tuán)隊(duì)之前，時(shí)間分辨能力的國際最好水平是150飛秒?！拔⒂^物質(zhì)世界有不少重要的超快過程的時(shí)間尺度恰巧在100飛秒左右，所以當(dāng)我們的裝置達(dá)到50飛秒的時(shí)間分辨能力時(shí)，就使人類第一次具有了直接觀察微觀世界這些超快過程的能力了?！睆埥艽蛄藗€(gè)比方，就像拍攝高速運(yùn)動(dòng)的物體時(shí)，只有相機(jī)“快門”的速度比運(yùn)動(dòng)速度更快，才可以清晰成像。

從20世紀(jì)90年代以來，對(duì)激光焦點(diǎn)下微觀世界前沿的不斷探索與發(fā)現(xiàn)，讓張杰著迷了30多年?？茖W(xué)探索的根本驅(qū)動(dòng)力是人類的好奇心，這是人類長(zhǎng)期以來得以進(jìn)化的本能之一，因此，學(xué)習(xí)和科學(xué)探索的過程其實(shí)是非?？鞓返?。我們一定要學(xué)會(huì)享受學(xué)習(xí)和科學(xué)探索過程本身帶來的快樂?！睂?duì)于年輕科研人員和學(xué)生，張杰給出了他的建議。

太陽和許多恒星的內(nèi)部溫度高達(dá)千萬攝氏度以上，每時(shí)每刻都在發(fā)生著劇烈的核聚變反應(yīng)。張杰介紹，太陽每秒放出的能量約為3.9×1026焦耳，雖然到達(dá)地球表面的僅為太陽每秒釋放能量的10億分之一，但這也是巨大的能量，正是這個(gè)能量，才使地球上的一切生命活動(dòng)成為可能。

核聚變反應(yīng)是宇宙中的普遍現(xiàn)象，它是恒星（例如太陽）的能量來源。核聚變能也是全世界能源發(fā)展的前沿方向，如果人類可以掌控這種能量，就能擺脫目前地球的能源與環(huán)境危機(jī)的困擾。

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，二是激光核聚變，激光核聚變由燃料壓縮和加熱兩個(gè)階段組成。張杰說，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，而同步進(jìn)行的壓縮和點(diǎn)火過程會(huì)涉及極其復(fù)雜的非線性物理過程。他認(rèn)為這種方案可以作為受控激光核聚變過程的研究方案，但是由于效率不高，未來要真正產(chǎn)生核聚變能量的，還需要探索其他點(diǎn)火方案。

自20世紀(jì)90年代以來，張杰團(tuán)隊(duì)經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)與理論研究，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(chǎng)對(duì)高能電子束的引導(dǎo)和聚焦。神光二號(hào)升級(jí)激光裝置是我國自主研制的大型激光裝置。張杰表示，接下來團(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)，他們的目標(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)。

物理科學(xué)家主要探索兩類問題，第一類是制約人類社會(huì)進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸性難題，第二類則是自然界中最難以理解的奧秘，比如微觀世界的結(jié)構(gòu)與功能。

“任何物質(zhì)的原子都在不停地快速運(yùn)動(dòng)，所以對(duì)微觀時(shí)間中原子的觀察，就需要在超高空間分辨能力的基礎(chǔ)上再加上超高的時(shí)間分辨能力。我們做的事情就是把電子顯微技術(shù)的超高空間分辨能力與超快光學(xué)技術(shù)中超高的時(shí)間分辨能力結(jié)合在一起，這樣就可以研究以前我們認(rèn)為是靜止的，但其實(shí)在時(shí)間上一直在演化的微觀世界的超快動(dòng)力學(xué)過程?！睆埥芙榻B。

張杰說，物理學(xué)家的責(zé)任就是直接看到單分子圖像，并將單分子運(yùn)動(dòng)的圖像拍攝下來，以便深入研究。“我們先用一串飛秒激光脈沖將二氧化碳分子排好隊(duì)，接下來用超短脈沖高能電子束觀察排好隊(duì)的二氧化碳分子，就可以把二氧化碳分子在不同時(shí)刻的位置和結(jié)構(gòu)全看清楚了，然后將不同時(shí)刻的圖像排列起來，就可以形成單分子電影了?！?/p>

對(duì)于未來，在超高時(shí)空分辨的電子衍射和成像方面，張杰說他們團(tuán)隊(duì)的下一個(gè)努力目標(biāo)是達(dá)到1飛秒量級(jí)的時(shí)間分辨能力，這將是又一個(gè)非常重要的門檻。50飛秒的時(shí)間分辨能力可以讓我們看清楚原子的運(yùn)動(dòng)過程，如果實(shí)現(xiàn)1飛秒量級(jí)的時(shí)間分辨能力，人類就能看到電子的運(yùn)動(dòng)過程，從而對(duì)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)和功能的了解產(chǎn)生重要突破。

“物理學(xué)家的責(zé)任，不但是要看得見，還需要獲得關(guān)于單分子如何組成，為什么會(huì)這樣運(yùn)動(dòng)的規(guī)律性認(rèn)識(shí)。”此時(shí)的張杰，眼中閃爍著興奮。