卸任行政職務(wù)后，張杰回歸物理學(xué)家本色。目前，他正致力于激光核聚變快點火研究，希望為人類未來能源問題的解決做出貢獻(xiàn)。
“之前任上海交通大學(xué)校長和中科院副院長時，我也很快樂。在任何職位上，都要敬畏自己的職業(yè)，投入100%甚至200%的精力。”
在剛剛閉幕的未來科學(xué)大獎周上，2021未來科學(xué)大獎物質(zhì)科學(xué)獎獲獎?wù)邚埥芊窒砹怂臉酚^人生和科研進(jìn)展。他表示，2018年至今，團(tuán)隊已經(jīng)做了6輪驗證實驗，通過1萬焦耳激光實驗證實了激光核聚變快點火方案中分解物理過程的可行性。今年11月底，團(tuán)隊將開始進(jìn)行第7輪實驗。
“磁約束聚變和激光聚變研究都已經(jīng)走到了‘門檻兒’，即核聚變輸出能量已經(jīng)接近于輸入能量。未來的共同目標(biāo)是要達(dá)到聚變輸出能量是輸入能量的10倍、100倍，當(dāng)輸出能量是輸入能量百倍時，就離建立核聚變電站很近了。”張杰說。
張杰在未來科學(xué)大獎周活動上接受采訪。新京報記者 張璐 攝
第一次物理實驗和化學(xué)實驗
2021未來科學(xué)大獎9月12日公布獲獎名單，主持人在新聞發(fā)布會現(xiàn)場連線張杰，宣布了這一喜訊。被問及最想和誰分享喜悅時，張杰說，“當(dāng)然是我的父母，他們在極其艱難的情況下，培養(yǎng)了我對科學(xué)的熱愛和對生活的樂觀。”
1958年1月，張杰生于山西省太原市。他8個月大時，父母前往內(nèi)蒙古支邊。
張杰的父親是個勤奮好學(xué)的人，他跟小張杰說，“咱們來一起幫你媽媽，改善一點兒家里的經(jīng)濟(jì)狀況。”父親的樂觀讓張杰的童年記憶并不全是生活的不易，還有探索知識的樂趣。
當(dāng)時，內(nèi)蒙古有一種“懶”雞，下的蛋個頭大，但經(jīng)常隔幾天才下一個。父親和小張杰商量，要改良雞的品種。在父親的引導(dǎo)下，張杰看了很多書，了解了保溫、加熱等知識后，決定先從改善孵化條件入手，嘗試用家里的土炕孵雞蛋。
為了使保溫箱保持恒溫37.8℃，父子動手用雙金屬片做了一個恒溫器，測試了雙金屬片的溫度特性。一旦溫度超過40℃，金屬片就會彈開，并接通電扇將熱空氣排出。然而實驗做了20多天，一只小雞也沒孵出來。
父親說，咱們得知道哪個環(huán)節(jié)出了問題，于是父子二人把雞蛋一個個打開看。“實驗雖然失敗了，但我在過程中學(xué)到了很多。”后來張杰意識到，這是他人生中的第一個物理實驗，他學(xué)會了如何設(shè)計實驗、測試數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)，更關(guān)鍵的是如何對待失敗。
孵小雞失敗后，父親又帶著小張杰生產(chǎn)鹽酸。家里沒有實驗器材，他們就將魚缸放滿水，將家里220V的交流電整流變壓，轉(zhuǎn)化成直流電電解水中的氯化鈉，收集氯氣和氫氣，然后通過玻璃噴嘴混合燃燒后用水冷卻。家里的橡皮氣球、廢舊日光燈管也成了二人的實驗工具。
這個實驗仍然沒有成功，實驗的后果還有點嚴(yán)重——家里所有的鐵器都被氯氣腐蝕生銹。但這也成了張杰的科學(xué)啟蒙，點燃了他對科學(xué)的熱愛。
用淘汰鍍膜機(jī)做成真空靶室
1989年1月，張杰在中科院物理所取得博士學(xué)位后前往歐洲進(jìn)行X射線激光的研究。10年間，他先后在德國馬普量子光學(xué)研究所和英國著名的盧瑟福實驗室工作，科研成果豐碩，他所在的團(tuán)隊在X射線激光領(lǐng)域和快點火激光聚變領(lǐng)域的研究中走到了世界最前沿。
激光是人類最偉大的發(fā)明之一，但由于激光波長在可見波段，其應(yīng)用受到局限。多年來，科學(xué)家們有一個夢想，希望激光波長可以深入X射線波段。“如果在2.2納米-4.4納米（水窗波段）實現(xiàn)X射線激光，就有可能對生命過程做出深入解析，解開生命之謎。”
1989年到1995年，張杰所在團(tuán)隊不斷產(chǎn)生更短波長的X射線激光，1993年到1995年，團(tuán)隊保持著世界上最短波長的飽和X射線激光紀(jì)錄——5.8納米，做到了“水窗”的邊緣。“后來我們意識到，當(dāng)時的生命科學(xué)還沒有達(dá)到運用‘水窗’X射線激光解開生命之謎的階段，所以團(tuán)隊將研究方面轉(zhuǎn)向快點火激光聚變領(lǐng)域。”張杰說。
1998年，在時任國家自然科學(xué)基金委主任張存浩的感召下，張杰回到祖國，回到中科院物理研究所，組建起自己的研究團(tuán)隊。他回憶說，彼時，我國科研條件相對落后，科研經(jīng)費申請的周期很長。求賢若渴的張存浩和幾位副主任商議，動用了主任基金，為張杰湊了100萬元科研啟動經(jīng)費。
“當(dāng)時為了節(jié)約研究經(jīng)費，我們經(jīng)常去物理所的廢品倉庫，找大家淘汰退庫的儀器設(shè)備。”張杰說，當(dāng)時他在庫房中找到了一個鍍膜機(jī)，并用它做成了真空靶室，用于實驗。
張杰沒有辜負(fù)“伯樂”的期待，回國不久后，他的團(tuán)隊就研制出國內(nèi)第一臺太瓦級（萬億瓦級）飛秒激光裝置——“極光一號”，此后的不少實驗正是用這臺激光器做出來的。
物理學(xué)家與未來能源
此次未來科學(xué)大獎的頒獎詞中提到，物質(zhì)科學(xué)獎獎勵張杰通過調(diào)控強(qiáng)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)激光核聚變的快點火研究。“物理學(xué)家有責(zé)任解決人類社會面臨的最具有挑戰(zhàn)的問題。”張杰如此“解讀”他的研究項目。
隨著全球變暖，找到可以替代化石能源的未來能源迫在眉睫。聚變能，就是未來的清潔、高效、安全的終極能源之一。聚變能是氫的兩個同位素——氘和氚發(fā)生融合反應(yīng)所釋放出的巨大能量。海水中蘊藏著大約40萬億噸氘，一升水能夠提煉0.03克的氘，其發(fā)生聚變反應(yīng)釋放的能量相當(dāng)于燃燒300升汽油。1立方公里海水中的氘氚聚變反應(yīng)所釋放出的能量，就相當(dāng)于全球石油儲量燃燒的能量。因此，聚變能原料幾乎取之不盡，用之不竭。
目前，對受控核聚變的研究主要分為兩類，其中之一就是慣性約束核聚變（激光核聚變），其利用高能量、高強(qiáng)度的激光對聚變材料，如氘、氚進(jìn)行加熱，實現(xiàn)可控的核聚變用以獲得巨大的能量。
“激光核聚變快點火方案中有一個非常重要的物理過程，需要使用超短脈沖的高能電子束攜帶能量到高密度等離子體中實現(xiàn)點火。”早在1997年，張杰就提出了雙錐對撞點火的新型激光聚變方案雛形。“快速點火方案將燃料點火與壓縮分開，使這兩個過程可以獨立優(yōu)化，同時避免不穩(wěn)定性。從理論上說，這個方案有優(yōu)越性，但真正通過實驗證實這個方案是非常難的。”張杰說，過去20年間，他和團(tuán)隊為此做了很多預(yù)備性的實驗和理論研究。
真正的大能量驗證實驗始于2018年。在我國自主研制的大型激光裝置——神光二號升級激光裝置上，2018年至今，張杰團(tuán)隊已經(jīng)做了6輪驗證實驗，通過1萬焦耳激光實驗證實了該方案中分解物理過程的可行性。“有些實驗結(jié)果甚至比我們最開始的理論設(shè)想還要好。”張杰說。
“杰哥”校長
中國科學(xué)院院士、德國科學(xué)院院士、第三世界科學(xué)院院士、英國皇家工程院外籍院士、美國科學(xué)院外籍院士……除了“五院院士”頭銜，張杰還有一個為學(xué)子津津樂道的身份——“杰哥”校長。
2006年-2017年，張杰任上海交通大學(xué)校長。在開學(xué)典禮或畢業(yè)典禮上，他經(jīng)常真情流露、妙語連珠，這些演講視頻在網(wǎng)上被稱為“演講教材”。
張杰講了這樣一個小插曲，一位美國名校校長來上海交通大學(xué)訪問，他本來覺得自己在本校人氣很高，到了中國才發(fā)現(xiàn)，校園中每個學(xué)生都認(rèn)識張杰，他們主動和校長打招呼，親切稱校長為“杰哥”。
回國后，這位校長和美國其他校長們說，中國年輕的大學(xué)校長群體在崛起，他們的平均年齡比我們小10歲到15歲，離科研第一線非常近，所以在大學(xué)的科研發(fā)展方向上把握得很準(zhǔn)。同時，這群大學(xué)校長風(fēng)趣幽默，在中國的大學(xué)生中很有影響力。
張杰任校長的10年間，上海交大建立了以制度激勵為核心的現(xiàn)代大學(xué)治理體系，確立了“三位一體”的人才培養(yǎng)理念，構(gòu)建了“基礎(chǔ)學(xué)科拔尖人才”和“平臺式寬口徑教育”的創(chuàng)新人才培養(yǎng)體系。在最能體現(xiàn)學(xué)校創(chuàng)新能力的自然科學(xué)基金申請數(shù)和經(jīng)費額度、SCI論文數(shù)等方面，均高居全國大學(xué)榜首。
張杰清楚記得，剛到任時他率團(tuán)出訪一所世界一流大學(xué)遭受冷遇，2016年他再度率團(tuán)訪問這所學(xué)校時，校長清空所有日程，花了整個上午聆聽上海交大十年來的發(fā)展經(jīng)驗。
“盡管我是物理學(xué)家，但我在做大學(xué)校長期間，把自己的專業(yè)變成了高等教育，用100%甚至200%的精力去做強(qiáng)學(xué)校。”張杰認(rèn)為，任校長期間還花很多時間做自己的科研是不對的。“我任校長期間也寫論文，但主要都是高等教育的論文。”
■對話張杰
核聚變作為人類社會的能源已經(jīng)不遠(yuǎn)
在接受新京報記者采訪時，張杰表示，研究團(tuán)隊在2020年正要驗證一個關(guān)鍵的物理過程時，碰上了新冠疫情。經(jīng)過各方努力，在疫情得到初步控制時，團(tuán)隊完成了非常少有的、完全由團(tuán)隊老師完成的實驗。目前，團(tuán)隊已經(jīng)完成6輪驗證實驗， 2026年之前，團(tuán)隊將完成一共18輪驗證實驗。
研究型思維會給生活帶來無窮快樂
新京報：你是如何對物理產(chǎn)生興趣的？
張杰：我小時候，父母經(jīng)常帶著我做各種各樣的東西，我的好奇心很強(qiáng)，常問“為什么”。如果了解其背后物理原理，我會感到非常快樂。
比如小時候看媽媽煮餃子，鍋一旦開始沸騰，要點3-4次涼水，餃子才能煮成。為什么要點涼水？后來我意識到，煮餃子主要是要將餃子餡煮熟，水無論沸騰程度如何，其實溫度都是100℃，對于餃子餡來說，溫度的供給是一樣的，但是水如果沸騰得太厲害，就會給餃子很大的動能，這樣帶著很大動能的餃子互相碰撞，餃子內(nèi)部還有大量加熱后產(chǎn)生的氣體，在高壓的狀態(tài)下就很容易碰破。而加入些許涼水可以讓水的沸騰程度降低，餃子的動能變小，餃子就可以很完整地被煮熟。
后來我給學(xué)生講課時也常說，研究型思維會給你的生活帶來無窮的快樂。
新京報：求學(xué)期間有什么難忘的故事？
張杰：我上中學(xué)時，由于英語老師缺乏，無法開英語課。有一次母親偶然發(fā)現(xiàn)有廣播電臺播放英語，我就把哥哥小時候做的收音機(jī)修好，聽著廣播學(xué)英語。
英語廣播早上6點開始，晚上11點還有一次。青少年時期的孩子總也睡不夠，我經(jīng)常聽著聽著就睡著了，這時母親會把我搖醒，要求我繼續(xù)學(xué)習(xí)。1978年初，我作為正式恢復(fù)高考后的第一屆大學(xué)生走入大學(xué)校園，我忽然發(fā)現(xiàn)，在同班同學(xué)當(dāng)中，我的英語是最好的，還在全校英語競賽中拿了第一名。
大學(xué)教育應(yīng)是成年人教育，培養(yǎng)正確思維方式
新京報：你任職上海交大校長時被學(xué)生稱為“杰哥”。你如何看待教育工作者和學(xué)生的相處之道？
張杰：我發(fā)自內(nèi)心地喜歡和欣賞青年學(xué)生。我2006年開始在上海交大任校長，2007年4月的BBS晚會，我現(xiàn)場發(fā)表了即興講演。學(xué)生們很嗨，跟我握手，也正是從那時候起叫我“杰哥”。我認(rèn)為這反映了學(xué)生們的期待，他們希望的校長不是一個高高在上訓(xùn)導(dǎo)式的父輩或領(lǐng)導(dǎo)，他們更需要的兄長和朋輩的平視與陪伴，以及對他們正確思維方式的培養(yǎng)。
中國大學(xué)的老師喜歡把大學(xué)生當(dāng)作自己的孩子，我說這其實是不對的。學(xué)生們在大學(xué)接受的教育應(yīng)該是成年人的教育、全人教育，大學(xué)是他們進(jìn)入社會前的最后一站。學(xué)生在學(xué)校里會經(jīng)歷很多不同的事情，其實應(yīng)該鼓勵他們?nèi)ヌ剿鳎词乖诖髮W(xué)時代遇到一些挫折，也可能是他們一生的財富。
我也經(jīng)常主動去參加同學(xué)的活動，因為校園文化應(yīng)該是學(xué)生和老師共同創(chuàng)造的文化。比如我做校長期間，將原來的學(xué)生運動會和教工運動會合并，做成類似于嘉年華的運動會，入場式可以展示科技成果、文化品牌等。
我一直認(rèn)為，研究型大學(xué)教育的本質(zhì)并不在于要給學(xué)生教授多少知識，也不在于教學(xué)生去思考什么，最重要的是要培養(yǎng)學(xué)生正確的思維方式，讓他們形成正確的三觀，成為對社會建設(shè)發(fā)揮更重要作用的“全人”。
新京報：除了科研工作，你平時有什么愛好？
張杰：我喜歡體育運動，至今仍保持運動習(xí)慣。現(xiàn)在我每兩天跑一次步，跑8公里。除此之外，我還做一些體能訓(xùn)練。
我喜歡讀書，除了科學(xué)類書籍，我還喜歡讀文學(xué)和藝術(shù)類書籍。另外，我也喜歡古典音樂。
全球激光聚變研究中，中國處于領(lǐng)先位置
新京報：點火在核聚變中起到什么作用？我國的激光聚變研究在國際上處于什么位置？
張杰：形象地說，核聚變就是要在地球上造一個“小太陽”。地球上幾乎所有能源都來自太陽的能量，太陽中心發(fā)生著劇烈的核聚變反應(yīng)，釋放能量的效率非常高，核聚變的效率比化石能源的效率高了1000萬倍。
要想在地球上造一個“小太陽”，最重要的有兩方面，一是極高的溫度，以使氘氚原子核發(fā)生量子隧穿的概率變大；二是極高的密度，以使聚變反應(yīng)可以實現(xiàn)自持燃燒。目前利用激光內(nèi)爆，已經(jīng)可以產(chǎn)生極高的密度，但要把溫度提到這么高非常難。過去十多年間，激光聚變的主要研究的重點就是在于提高高度壓縮燃料的溫度。
快點火研究需要產(chǎn)生性能可控的超短脈沖高能電子束，使其定向沉積在高密度的氘、氚燃料中，迅速提高壓縮燃料的溫度，觸發(fā)聚變反應(yīng)。當(dāng)聚變反應(yīng)產(chǎn)生的能量大于輸入能量的話，就叫做點火。
全世界的激光聚變研究中，美國和中國是最領(lǐng)先的兩個國家。今年8月，在美國的國家點火裝置（NIF）上的實驗中，核聚變反應(yīng)輸出能量已經(jīng)達(dá)到了3/4的能量平衡點。
新京報：之前有說法是“實現(xiàn)核聚變永遠(yuǎn)還有50年”。從目前的研究來看，未來人類需要多久能用上核聚變發(fā)電？
張杰：現(xiàn)在可以負(fù)責(zé)任地說，不管是磁約束聚變還是激光核聚變研究，都已經(jīng)走到門檻兒了。門檻兒的意思就是輸出能量已經(jīng)接近于輸入能量，未來的共同目標(biāo)是要達(dá)到輸出能量為輸入能量的10倍、100倍。
如果達(dá)到100倍的話，離核聚變電站就很近了。我覺得在時間上可以用“十年”為單位來計數(shù)了，比如十年、二十年的時間，核聚變作為人類社會能源的明天即將到來。
2026年前還將開展12輪點火驗證實驗
新京報：你之前提到，去年的新冠疫情對快點火研究產(chǎn)生了影響，你們是如何克服的？
張杰：我們的團(tuán)隊從2018年開始實驗，2020年正要驗證一個關(guān)鍵的物理過程時，碰上了新冠疫情。我們使用的神光二號升級激光裝置是全國最大的激光裝置之一，像足球場那么大，平常用戶排得非常滿，而我們的第四輪實驗時間恰好遇到了新冠疫情。為了不浪費實驗機(jī)會，在全國疫情得到初步控制的二月底，上海光機(jī)所經(jīng)過層層報批，恢復(fù)了激光裝置的運行，我們實驗團(tuán)隊終于在3月初得以進(jìn)場實驗。
但當(dāng)時所有學(xué)生都不能到校，也不能到研究所，所以這是非常少有的、完全由團(tuán)隊老師完成的實驗。由于實驗規(guī)模非常大，需要幾十臺設(shè)備同時工作，我們?nèi)耸植粔蜻€從光機(jī)所借了幾位老師幫忙操作。大家都戴著口罩做實驗，像醫(yī)生一樣。科學(xué)研究沒有任何捷徑，想取得任何突破，都需要付出真正的努力。
目前，我們已經(jīng)做了6輪驗證實驗，今年11月底，團(tuán)隊將開始進(jìn)行第7輪實驗。2026年之前，我們將完成一共18輪驗證實驗。
新京報：你研究的超短脈沖快電子束還可應(yīng)用于實現(xiàn)超高時空分辨高能電子衍射成像，能簡單科普一下這項研究嗎？
張杰：物理學(xué)家的責(zé)任之一就是探索自然界中最不可思議的奧秘。除了用于激光核聚變研究以外，性能精確可控的高能電子束還可以作為探針，用于物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的探測。從2002年起，我們開始將精確可控的電子束應(yīng)用于超高時空分辨的電子衍射的研究。這項研究是要回答物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)中原子尺度的時間特性和空間特性是什么。
我們希望用超短脈沖高能電子束探測物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)上原子隨時間的快速變化過程，這就需要我們具備觀測原子尺度時空變化的能力，需要在空間做到10-10米（百億分之一米）的空間分辨率，時間方面，要做到好于10-13秒（十萬億分之一秒）。
經(jīng)過十幾年時間的努力，我們已經(jīng)在空間分辨率上實現(xiàn)了希望達(dá)到的目標(biāo)，在時間分辨能力方面，我們也已經(jīng)達(dá)到了5×10-14秒，比世界紀(jì)錄好了兩倍。
用這臺世界上最先進(jìn)的超高時空分辨的高能電子衍射和成像裝置，可以觀察到很多以前完全不可能進(jìn)行研究的超快現(xiàn)象。
新京報記者 張璐
編輯 白爽 校對 李立軍
