張杰，造“太陽”的人

張東亮

在中國科學家中，張杰在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。作為一名物理學家，張杰對自然科學的興趣始于父親的啟蒙。張杰從小隨父母到內蒙古支邊。小時候，張杰在爸爸的帶領下搞了很多小發明。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節器。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，以此提高土雞的產蛋率。這是張杰小時候接觸的第一個物理實驗。

恢復高考后，張杰考入內蒙古大學物理系。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，張杰當選中國科學院院士。2006年，他出任上海交通大學校長。

多年來，張杰和世界上的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，終有一天將被耗盡，人類面臨著嚴重的能源和環境危機。當然人們已經想了很多辦法，嘗試著使用太陽能、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，而出生在煤礦區的孩子，成為人造太陽工程的工作人員。在現實中，這個神話真的能實現嗎？張杰直截了當地說：“能！”

萬物生長靠太陽。可以說，太陽是一個熊熊燃燒的大火球，它的表面溫度約6000℃，內核溫度約1500萬℃，每秒鐘可散發出相當于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。張杰說，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升汽油燃燒所生產的能量。而1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，用于聚變反應釋放的能量就足夠人類使用上百億年。而如何引發這種聚變反應和釋放能量，張杰興致勃勃地解釋說，用激光。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，實現快速加熱，引發核聚變反應。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。他調侃說，自己并不太贊成將學習和科學研究比喻成“學海無涯苦作舟”的苦行文化。“其實，科學探索的根本驅動力是人的好奇心，這個過程是非常快樂的。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。”他開玩笑說，這要比美食、游戲或其他娛樂活動所產生的多巴胺要多得多。

張杰平時喜歡運動，現在他每兩天跑一次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，他還喜歡閱讀和音樂，這能讓他換一種思維，對科學研究有非常好的促進作用。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，關鍵在于找到合適的“點火方案”。張杰正帶領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控，是點火的關鍵。多年來，張杰帶領團隊經過大量的實驗與理論的研究，實現了對高能電子束發射方向與能量的精確調控，并實現了表面自生電磁場對高能電子束的引導和聚焦。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，已經努力了幾十年。”如今常用的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》里推動地球前進的核聚變發動機，都有可能變成現實。如今，張杰的研究團隊已經成為在國際上有重要影響的協同創新中心，繼續在激光聚變和高能量密度物理研究領域探索著。

2021年9月12日上午，未來科學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“物質科學獎”。未來科學大獎評獎機構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。”

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，培養了我對科學的熱愛和對生活的樂觀。”

（責任編輯/劉大偉 張金余）