张杰，造“太阳”的人
张东亮
在中国科学家中，张杰在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。作为一名物理学家，张杰对自然科学的兴趣始于父亲的启蒙。张杰从小随父母到内蒙古支边。小时候，张杰在爸爸的带领下搞了很多小发明。草原上有一种土鸡，个子很大，鸡蛋也很大，但是下蛋不勤。于是父子俩就想做“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节器。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，以此提高土鸡的产蛋率。这是张杰小时候接触的第一个物理实验。
恢复高考后，张杰考入内蒙古大学物理系。之后，他又考入中科院物理研究所。后来，他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。1999年，张杰回到中科院物理所工作。45岁时，张杰当选中国科学院院士。2006年，他出任上海交通大学校长。
多年来，张杰和世界上的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，终有一天将被耗尽，人类面临着严重的能源和环境危机。当然人们已经想了很多办法，尝试着使用太阳能、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，而出生在煤矿区的孩子，成为人造太阳工程的工作人员。在现实中，这个神话真的能实现吗？张杰直截了当地说：“能！”
万物生长靠太阳。可以说，太阳是一个熊熊燃烧的大火球，它的表面温度约6000℃，内核温度约1500万℃，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。张杰说，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升汽油燃烧所生产的能量。而1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。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，用于聚变反应释放的能量就足够人类使用上百亿年。而如何引发这种聚变反应和释放能量，张杰兴致勃勃地解释说，用激光。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。
有趣的是，在搞研究的过程中，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成“学海无涯苦作舟”的苦行文化。“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、游戏或其他娱乐活动所产生的多巴胺要多得多。
张杰平时喜欢运动，现在他每两天跑一次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，他还喜欢阅读和音乐，这能让他换一种思维，对科学研究有非常好的促进作用。他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，激光核聚变能顺利实现，关键在于找到合适的“点火方案”。张杰正带领团队探索一种新的点火方案，以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，张杰带领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。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，已经努力了几十年。”如今常用的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》里推动地球前进的核聚变发动机，都有可能变成现实。如今，张杰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。
2021年9月12日上午，未來科学大奖主办方在北京公布2021年获奖名单。张杰院士获得了其中的“物质科学奖”。未来科学大奖评奖机构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。”
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。”
（责任编辑/刘大伟 张金余）
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