张杰：从“人造太阳”到微观世界探索

张静

张杰，1958年1月出生于山西省太原市，1988年在中国科学院物理研究所获博士学位，曾任上海交通大学校长，2003年当选中国科学院院士，2007年当选德国科学院院士。主要从事强场物理、X射线激光和“快点火”激光核聚变等方面的研究，在国际X射线激光和强场物理研究领域享有很高的学术地位和声望。

张杰说，物理学家喜欢探索的科学问题有两类，第一类是人类社会发展中遇到的瓶颈性难题，比如当前人類社会发展迫切需要解决的最大难题——终极能源问题，第二类是自然界中最难以理解的奥秘，比如微观世界的结构与功能。

1飞秒等于1 000万亿分之一秒，在张杰团队之前，时间分辨能力的国际最好水平是150飞秒。“微观物质世界有不少重要的超快过程的时间尺度恰巧在100飞秒左右，所以当我们的装置达到50飞秒的时间分辨能力时，就使人类第一次具有了直接观察微观世界这些超快过程的能力了。”张杰打了个比方，就像拍摄高速运动的物体时，只有相机“快门”的速度比运动速度更快，才可以清晰成像。

从20世纪90年代以来，对激光焦点下微观世界前沿的不断探索与发现，让张杰着迷了30多年。科学探索的根本驱动力是人类的好奇心，这是人类长期以来得以进化的本能之一，因此，学习和科学探索的过程其实是非常快乐的。我们一定要学会享受学习和科学探索过程本身带来的快乐。”对于年轻科研人员和学生，张杰给出了他的建议。

太阳和许多恒星的内部温度高达千万摄氏度以上，每时每刻都在发生着剧烈的核聚变反应。张杰介绍，太阳每秒放出的能量约为3.9×1026焦耳，虽然到达地球表面的仅为太阳每秒释放能量的10亿分之一，但这也是巨大的能量，正是这个能量，才使地球上的一切生命活动成为可能。

核聚变反应是宇宙中的普遍现象，它是恒星（例如太阳）的能量来源。核聚变能也是全世界能源发展的前沿方向，如果人类可以掌控这种能量，就能摆脱目前地球的能源与环境危机的困扰。

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，二是激光核聚变，激光核聚变由燃料压缩和加热两个阶段组成。张杰说，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，而同步进行的压缩和点火过程会涉及极其复杂的非线性物理过程。他认为这种方案可以作为受控激光核聚变过程的研究方案，但是由于效率不高，未来要真正产生核聚变能量的，还需要探索其他点火方案。

自20世纪90年代以来，张杰团队经过大量的实验与理论研究，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。神光二号升级激光装置是我国自主研制的大型激光装置。张杰表示，接下来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，他们的目标是在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。

物理科学家主要探索两类问题，第一类是制约人类社会进一步发展的瓶颈性难题，第二类则是自然界中最难以理解的奥秘，比如微观世界的结构与功能。

“任何物质的原子都在不停地快速运动，所以对微观时间中原子的观察，就需要在超高空间分辨能力的基础上再加上超高的时间分辨能力。我们做的事情就是把电子显微技术的超高空间分辨能力与超快光学技术中超高的时间分辨能力结合在一起，这样就可以研究以前我们认为是静止的，但其实在时间上一直在演化的微观世界的超快动力学过程。”张杰介绍。

张杰说，物理学家的责任就是直接看到单分子图像，并将单分子运动的图像拍摄下来，以便深入研究。“我们先用一串飞秒激光脉冲将二氧化碳分子排好队，接下来用超短脉冲高能电子束观察排好队的二氧化碳分子，就可以把二氧化碳分子在不同时刻的位置和结构全看清楚了，然后将不同时刻的图像排列起来，就可以形成单分子电影了。”

对于未来，在超高时空分辨的电子衍射和成像方面，张杰说他们团队的下一个努力目标是达到1飞秒量级的时间分辨能力，这将是又一个非常重要的门槛。50飞秒的时间分辨能力可以让我们看清楚原子的运动过程，如果实现1飞秒量级的时间分辨能力，人类就能看到电子的运动过程，从而对物质微观结构和功能的了解产生重要突破。

“物理学家的责任，不但是要看得见，还需要获得关于单分子如何组成，为什么会这样运动的规律性认识。”此时的张杰，眼中闪烁着兴奋。