专访｜张杰院士：追逐激光，从“人造太阳”到微观世界探索

 
 
专访｜张杰院士：追逐激光，从“人造太阳”到微观世界探索  
 

激光，是人类最伟大的发明之一，被认为是“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”。这道光焦点下的微观物质世界，如此令人着迷，让张杰研究了30多年。

2021年的未来科学大奖如约而至，其中的物质科学奖颁给了上海交通大学/中科院物理所张杰院士，奖励他与其团队通过调控激光与物质相互作用，产生精确可控的超短脉冲高能电子束，并将其应用于激光核聚变的快点火研究和实现超高时空分辨高能电子衍射成像。

何为激光核聚变的快点火研究？超高时空分辨高能电子衍射成像意味着什么？日前，张杰从繁忙的科研工作中专门抽出时间，接受澎湃新闻（）专访，解读获奖成果的科学意义，并对年轻科研人员的未来发展提出建议。

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，比如当前人类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。

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。核聚变能由于其燃料来自海水、效率是化石能源的千万倍、没有长期的核废料、没有碳排放等特点，因此被视为未来社会的“终极能源”。

另一方面，超短脉冲高能电子束也可以作为极其敏感的探针，为探测微观世界的超快动力学过程，提供超高时空分辨的研究手段。张杰团队研制的高能电子衍射与成像装置达到了亚埃级的超高空间分辨能力和50飞秒的超高时间分辨能力。

1飞秒等于1000万亿分之一秒，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，就像对高速运动物体的摄影，只有相机“快门”的速度比运动速度更快，才可以清晰成像。

从上世纪九十年代以来，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。9月12日，在接到未来科学大奖物质科学奖获奖通知的那一刻，他正在与团队成员一起开会，对刚结束的夏季实验进行总结。

“我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。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。

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。“我们科学探索的回报就是发现的乐趣和好奇心的满足，我们认为这要比美食、游戏或其它娱乐活动所产生的多巴胺要强得多。”张杰开玩笑说。

实验室里的“人造太阳”：可控核聚变的两条研究路都走到了门槛

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3.9×10^26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，才使得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。

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。据估测，1升海水中提取出的氘若完全参与聚变反应，放出的能量相当于300升汽油燃烧释放的能量。而氚又名超重氢，半衰期12年，它与氘之间的聚变反应相对起来最容易。

张杰介绍，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备产生的总能量，因此聚变能源的开发,将“一劳永逸”地解决人类的能源需要。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。