“未来科学大奖”获得者张杰：实验室里“再造小太阳”

张东亮

在刘慈欣的科幻小说《中国太阳》中，科学家通过人造太阳为人类带来“终极能源”，而出生在煤矿的孩子，成为了人造太阳工程的工作人员。在现实中，张杰团队研究的快点火激光聚变物理过程，就是探索如何在实验中“再造小太阳”，模拟太阳中的核聚变反应。而核聚变能的效率，是化石能源的1000万倍以上，而且非常安全和清洁！一旦成功，就意味着我国将彻底告别化石能源。像漫威宇宙里钢铁侠胸前的能量源、《流浪地球》里的推动地球前进的核聚变发动机，都有可能成为现实。9月12日，这个寻找人类取之不尽的终极能源的科技牛人，获得了有“中国诺奖”之称的未来科学大奖，及100万美元（约650万元）奖金！

造出我国首台飞秒激光装置

在中国科学家中，张杰颇有知名度，尤其在X射线激光和强场物理研究领域，享有很高的学术地位和国际声望。未来科学大奖给张杰的颁奖理由是：“奖励他通过调控激光与物质相互作用，产生精确可控的超短脉冲快电子束，并将其应用于实现超高时空分辨高能电子衍射成像，和激光核聚变的快点火研究。”

通俗地说，张杰的获奖理由就是，利用激光与“靶”相互作用，产生出超短的高能电子脉冲，对物质微观结构的超快变化拍出微观世界演化的电影;同时这样的高能电子束还可以像火柴一样，对实验室产生的高温高密的聚变靶丸进行点火，实现人造小太阳，获得聚变能。

作为一名物理学家，张杰对自然科学的兴趣开始于父亲的启蒙。张杰1958年出生于山西太原市，从小随父母在内蒙古支边。小时候，张杰在爸爸的带领下搞了很多“小发明”贴补家用。当地草原上古有一种土鸡，个子很大，鸡蛋也很大，但是下蛋不勤。于是父子俩就想做提高下蛋率的“品种改良”。他们利用双金属片受热弯曲的特性，做了一个简易的温度自动调節器，再将多层瓦楞纸糊成的保温孵蛋箱放在炕上加热，达到一定温度后双金属片便会弯曲，于是马上通风、降低箱内温度，等双金属片恢复原状，再停止通风保持恒温。这是张杰小时候的第一个物理实验。

上初中时，内蒙古因为边远地区缺乏老师，英语课只好停上。张杰的妈妈偶然发现陕西广播电台有广播英语节目，就鼓励儿子自学。英语广播每天早、中、晚播送3次，由于自制的收音机性能有限，中午那次播音的噪音太大，只能勉强收到早晚两次播音的短波信号。于是每天早晨6点钟，妈妈就把他叫醒、收听英语广播;到了深夜，妈妈又会把打瞌睡的张杰叫醒，继续收听广播。就这样，他熟练掌握了英语。

高考恢复后，张杰考入内蒙古大学物理系。获得学士、硕士学位后，他又考入中国科学院物理研究所，师从著名物理学家王天眷和张道中教授。1988年获得博士学位后，他赴德国马普量子光学所从事研究工作，两年后来到英国卢瑟福实验室和牛津大学物理系，利用卢瑟福实验室的“火神”高能量激光装置，开展高能量密度物理的前沿研究。在此期间，他与研究团队成员多次打破X射线激光饱和输出最短波长的世界纪录——从20纳米、15纳米一直到接近“水窗”波长的5.8纳米的饱和X射线激光输出。

一晃，张杰在国外工作和生活了10年。张杰说，他刚到欧洲的时候，发现德国的超市在夜里都开着灯、家家有汽车、高速公路四通八达，感觉很震撼。他当时就想，我们中国人什么时候才能过上这样的生活啊？尽管国外的薪水非常丰厚，少说也是他在国内的几十倍，但当时由于我国严重缺乏他这样的物理学顶级人才，1999年接到祖国的召唤后，张杰毅然回到北京，根据组织安排，到中科院物理所工作。

那时中国的科研条件还很困难，他刚回国的时候，没有实验室、没有研究设备、缺少科研经费。当时张杰就和物理所的库房管理处达成了一个协议：如果其他课题组有了要报废的设备，就第一时间通知他，他去看看，能不能给自己的项目用。“我们早期的一些实验设备就是从库房里找的，别人不要了，我们捡回来，修好再用。现在回头看，这些克服困难的过程都是人生中的财富。”

就这样，张杰和同事魏志义一起，造出了我国第一台太瓦级飞秒激光装置，及先进的实验诊断设备。这台被张杰命名为“极光一号”的飞秒激光装置，是当时高能量密度物理研究必不可少的设备。之后，随着我国对科研经费投入的增多，“极光二号”、“极光三号”以及大量实验诊断设备的相继建成，张杰研究组的科研条件得到了全面改善。

中国“人造小太阳”

在实验室里“再造小太阳”

2003年，45岁的张杰当选中国科学院院士，之后相继被德国国家科学院、第三世界科学院、英国皇家工程院、美国国家科学院选为院士和外籍院士。这种在世界上有5个院士头衔的人，在整个中国都非常罕见。

2006年，张杰出任上海交通大学校长，成为建国以来交大史上最年轻的校长。任职的11年里，他与同事们共同努力，使上海交大成为全球发展最快的大学之一。

张杰带领团队，在快电子束产生和应用方面取得了一系列重要突破。2015年，他获得爱德华·泰勒奖章，这是激光聚变与高能量密度物理研究领域，最重要得国际奖项，张杰也有幸成为获得该奖的首位华人科学家。

多年来，张杰和世界上得其他物理学家，都一直被一个重大问题所困扰。那就是，煤炭、石油、天然气这些化石能源，随着工业的快速发展需求量越来越大，终有一天将被耗尽，人类面临着严重的能源和环境危机。比如煤炭和石油燃烧会产生碳排放，污染空气，而且造成全球变暖。其实危险已经迫在眉睫了。

当然人们已经想了很多办法，尝试使用太阳能、风能、水能这些可再生能源。但这些能源也有一个问题——都是间歇性能源。比如太阳能，就非常依赖日照条件，因此在电网里，可再生能源的占比不能太高，目前的主能源还是化石能源。

在刘慈欣的科幻小说《中国太阳》中，科学家通过人造太阳，替代化石能源，为人类带来取之不尽的终极清洁能源，而出生在煤矿的孩子，成为了人造太阳工程的工作人员。在现实中，这个神话真能实现吗？张杰却直截了当地说，答案是肯定的！

万物生长靠太阳。可以说，太阳是地球最大的能量来源，它的表面温度约6000摄氏度，内核温度约1500万摄氏度，像一个熊熊燃烧的大火球，每秒钟可散发出相当于1亿亿吨煤炭完全燃烧产生的能量。太阳为什么能产生这么大的能量？因其内部持续不断的核聚变反应。而支撑这种聚变反应的主要原材料氘，在地球上的储量极其丰富。

曾有人问他，那么为啥有了太阳，还要造“太阳”呢？张杰解释说，据测算，从1升海水中提炼出的氘，经核聚变反应后释放的能量，相当于300升汽油燃烧的能量。而一立方公里海水所含的氘，经过聚变反应产生的能量，就相当于地球上所有石油储備产生的总能量。

而海洋中蕴藏着约40万亿吨氘，如果人类可以掌控这种能量，理论上用于聚变反应释放的能量足够人类使用上百亿年，几乎无穷无尽。因此，模仿太阳聚变反应原理造一个“太阳”，被科学家们认为是解决人类能源危机的最佳方案。

核聚变的原理是由质量较小的原子——如氢的同位素氘、氚，在极高温条件下使核外电子摆脱原子核的束缚，两个原子核相互碰撞聚合，生成新的质量更重的原子核氦，由于质量亏损和质能转换，释放巨大的能量。

“简单来说，地球上‘最容易实现的氘氚核聚变反应的最终生成物，是氦和携带能量的中子，而氦是非常清洁的。”张杰说，一说到核裂变，人们对它还是有点恐惧，担心它的核废料有放射性。而聚变能源不产生核废料，没有碳排放，没有放射性废料，也不会出现燃料棒熔断的灾难。这是一种清洁能源。

张杰说，可控核聚变所需要的原料，是氢元素中的两个同位素氘和氚。氘可从海水中提取，氚可以由地球上储量非常丰富的锂生成。“氚”又名超重氢，半衰期12年，它与氘之间的聚变反应相对起来最容易。

但人类若想要在地球上成功实现受控热核聚变反应，从而获得巨大能量，就必须创造以下三个必要条件。一是极高的温度，以使氘氚燃料成为超过1亿摄氏度的热等离子体;二是极高的密度，以使氘氚原子核发生量子隧穿的概率变大，而且便于将聚变产生的阿尔法粒子能量，留下来继续参与核聚变反应;三是等离子体在有限的空间里被约束足够长时间。

张杰说，激光具有极好的方向性、相干性和偏振等特点，因此，激光和物质相互作用可以产生精确可控的超短脉冲高能电子束。一方面，高能电子束可以将其携带的能量，精准地输运到预先压缩的聚变燃料中，实现快速加热，引发核聚变反应。核聚变能的效率，更是化石能源的1000万倍以上！

获得2021年“未来科学大奖”

有趣的是，在搞研究的过程种，张杰和团队成员并没有感到枯燥。他调侃说，自己并不太赞成将学习和科学研究，比喻作“学海无涯苦做舟”的苦行僧文化。“其实，科学探索的根本驱动力是人的好奇心，这个过程是非常快乐的。很多时候，我们过分强调了科学研究的枯燥，其实探索自然界奥秘的好奇心和解决难题的满足感，是对科学家探索最大的激励。”他开玩笑说，这要比美食、游戏或其它娱乐活动，所产生的多巴胺要强得多。

张杰平时喜欢运动，现在每两天跑一个8公里，再做一些力量训练。他认为，强健的身体是保持高效工作的重要基础，也会给自己带来一些额外的快乐。

除了运动，张杰也非常喜欢阅读和音乐，这能让他换一种思维，对科学研究有非常好的促进作用。思考一个问题的时候，有时会一直卡在某个地方，这时换一换脑子，做些运动、听听音乐，回过头来再研究，就能找到一个不同的解决思路。

张杰说，到目前为止，人类对受控核聚变的研究主要分为两类。一是磁约束核聚变，典型的实验装置，如中科院合肥物质科学研究院的——全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST），以及法国的ITER实验装置。二是激光核聚变，典型的实验装置，如我国的神光激光装置，及美国的国家点火装置（NIF）。

激光核聚变由燃料压缩和加热两个阶段组成。张杰解释说，传统的中心点火激光核聚变方案，需要使用巨大能量的激光装置，对氘氚燃料进行同步的压缩和点火，而这个过程会涉及极其复杂的非线性物理过程。但是由于效率不高，未来真正作为核聚变能量的产生，还需要探索新的点火方案。

张杰团队目前正在探索一种新的点火方案，采用特殊设计的激光波形与靶构型，将压缩过程与点火过程分离，并通过精确调控的超短脉冲高能电子束对压缩后的燃料进行快速点火，降低物理上的不稳定性，同时提高激光能量到点火能量的效率。

其中对超短脉冲高能电子束的精确调控，是点火的关键。多年来，张杰团队经过大量的实验与理论的研究，实现了对高能电子束发射方向与能量的精确调控，并实现了表面自生电磁场对高能电子束的引导和聚焦。

“我们的激光聚变实验研究，主要是使用我国自主研制的神光二号大型激光装置，目前我们的方案已经完成了6轮实验，并取得了不小的进展。”接下来，张杰团队还会在神光二号激光装置进一步升级的同时，再做12轮实验，他们的标是在2026年，验证阿尔法粒子的自加热，为快点火方案的实现提供坚实的实验基础。核聚变两大产物之一是阿尔法粒子，“每个阿尔法粒子带有3.5兆电子伏能量，在实验中我们会想办法把这个能量留下来，以便继续加热氘氚等离子体，实现自持燃烧。”

张杰举起冠军奖杯祝贺国科大排球队夺取冠军

张杰说：“人类为磁约束核聚变和激光核聚变反应点火的实现，已经努力几十年。”如今这两种核聚变的研究道路都“走到了门槛”：核聚变输出的能量和输入的能量达到平衡点。这个门槛一旦越过，下一步，就是让输出能量达到输入能量的10倍、100倍的目标，那时核聚变能源的商用就将成为现实，就可以建立大型商用电站了。

张杰调侃说，可控核聚变一旦成功，就意味着，漫威宇宙里钢铁侠胸前的能量源、《流浪地球》里的推动地球前进的核聚变发动机，都有可能成为现实。

如今，张杰院士的研究团队，已经成为在国际上有重要影响的协同创新中心，继续在激光聚变和高能量密度物理研究领域探索着。

9月12日上午，未来科学大奖在北京公布2021年获奖名单。这一被称为“中国诺奖”的荣誉奖励，设置“生命科学奖”、“物质科学奖”和“数学与计算机科学奖”三大奖项，单项奖金100万美元（约650万元）。张杰院士获得了其中的“物质科学奖”。他也是此次唯一未来科学大奖境内获奖人。

大奖主要表彰他通过调控激光与物质相互作用，产生精确可控的超短脉冲快电子束，并将其应用于实现超高时空分辨高能电子衍射成像，及激光核聚变的快点火研究。

张杰说他最想与家人分享这份喜悦，“多年来，他们一直陪伴着我，特别是我的父母亲，他们在极其艰难的岁月里，培养了我对科学的热爱和对生活的乐观。”

此外，张杰也提到了物理学家的责任，他认为物理学家有责任解决人类社会面临的最具挑战性的问题，探索自然界最不可思议的奥秘。他说，如果聚变能源能够早日实现，将是人类社会可持续发展的根本保证。