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(diǎn)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(shí)，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?！?/p>

在剛剛閉幕的未來科學(xué)大獎(jiǎng)周上，2021未來科學(xué)大獎(jiǎng)物質(zhì)科學(xué)獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)?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(duì)已經(jīng)做了6輪驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，通過1萬焦耳激光實(shí)驗(yàn)證實(shí)了激光核聚變快點(diǎn)火方案中分解物理過程的可行性。今年11月底，團(tuán)隊(duì)將開始進(jìn)行第7輪實(shí)驗(yàn)。

“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(shí)，就離建立核聚變電站很近了?！睆埥苷f。

張杰在未來科學(xué)大獎(jiǎng)周活動(dòng)上接受采訪。新京報(bào)記者 張璐 攝

第一次物理實(shí)驗(yàn)和化學(xué)實(shí)驗(yàn)

2021未來科學(xué)大獎(jiǎng)9月12日公布獲獎(jiǎng)名單，主持人在新聞發(fā)布會(huì)現(xiàn)場(chǎng)連線張杰，宣布了這一喜訊。被問及最想和誰分享喜悅時(shí)，張杰說，“當(dāng)然是我的父母，他們?cè)跇O其艱難的情況下，培養(yǎng)了我對(duì)科學(xué)的熱愛和對(duì)生活的樂觀?！?/p>

1958年1月，張杰生于山西省太原市。他8個(gè)月大時(shí)，父母前往內(nèi)蒙古支邊。

張杰的父親是個(gè)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(diǎn)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(shí)的樂趣。

當(dāng)時(shí)，內(nèi)蒙古有一種“懶”雞，下的蛋個(gè)頭大，但經(jīng)常隔幾天才下一個(gè)。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(shí)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(dòng)手用雙金屬片做了一個(gè)恒溫器，測(cè)試了雙金屬片的溫度特性。一旦溫度超過40℃，金屬片就會(huì)彈開，并接通電扇將熱空氣排出。然而實(shí)驗(yàn)做了20多天，一只小雞也沒孵出來。

父親說，咱們得知道哪個(gè)環(huán)節(jié)出了問題，于是父子二人把雞蛋一個(gè)個(gè)打開看?！皩?shí)驗(yàn)雖然失敗了，但我在過程中學(xué)到了很多。”后來張杰意識(shí)到，這是他人生中的第一個(gè)物理實(shí)驗(yàn)，他學(xué)會(huì)了如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、測(cè)試數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)，更關(guān)鍵的是如何對(duì)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)工具。

這個(gè)實(shí)驗(yàn)仍然沒有成功，實(shí)驗(yàn)的后果還有點(diǎn)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(diǎn)燃了他對(duì)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(shí)驗(yàn)室工作，科研成果豐碩，他所在的團(tuán)隊(duì)在X射線激光領(lǐng)域和快點(diǎn)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(gè)夢(mèng)想，希望激光波長可以深入X射線波段?！叭绻?.2納米-4.4納米（水窗波段）實(shí)現(xiàn)X射線激光，就有可能對(duì)生命過程做出深入解析，解開生命之謎?！?/p>

1989年到1995年，張杰所在團(tuán)隊(duì)不斷產(chǎn)生更短波長的X射線激光，1993年到1995年，團(tuán)隊(duì)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?！昂髞砦覀円庾R(shí)到，當(dāng)時(shí)的生命科學(xué)還沒有達(dá)到運(yùn)用‘水窗’X射線激光解開生命之謎的階段，所以團(tuán)隊(duì)將研究方面轉(zhuǎn)向快點(diǎn)火激光聚變領(lǐng)域。”張杰說。

1998年，在時(shí)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(duì)。他回憶說，彼時(shí)，我國科研條件相對(duì)落后，科研經(jīng)費(fèi)申請(qǐng)的周期很長。求賢若渴的張存浩和幾位副主任商議，動(dòng)用了主任基金，為張杰湊了100萬元科研啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)。

“當(dāng)時(shí)為了節(jié)約研究經(jīng)費(fèi)，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?！睆埥苷f，當(dāng)時(shí)他在庫房中找到了一個(gè)鍍膜機(jī)，并用它做成了真空靶室，用于實(shí)驗(yàn)。

張杰沒有辜負(fù)“伯樂”的期待，回國不久后，他的團(tuán)隊(duì)就研制出國內(nèi)第一臺(tái)太瓦級(jí)（萬億瓦級(jí)）飛秒激光裝置——“極光一號(hào)”，此后的不少實(shí)驗(yàn)正是用這臺(tái)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(jiǎng)的頒獎(jiǎng)詞中提到，物質(zhì)科學(xué)獎(jiǎng)獎(jiǎng)勵(lì)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(shí)現(xiàn)激光核聚變的快點(diǎn)火研究?！拔锢韺W(xué)家有責(zé)任解決人類社會(huì)面臨的最具有挑戰(zhàn)的問題?！睆埥苋绱恕敖庾x”他的研究項(xiàng)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(gè)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(yùn)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(chǔ)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(duì)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(duì)聚變材料，如氘、氚進(jìn)行加熱，實(shí)現(xiàn)可控的核聚變用以獲得巨大的能量。

“激光核聚變快點(diǎn)火方案中有一個(gè)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(shí)現(xiàn)點(diǎn)火。”早在1997年，張杰就提出了雙錐對(duì)撞點(diǎn)火的新型激光聚變方案雛形。“快速點(diǎn)火方案將燃料點(diǎn)火與壓縮分開，使這兩個(gè)過程可以獨(dú)立優(yōu)化，同時(shí)避免不穩(wěn)定性。從理論上說，這個(gè)方案有優(yōu)越性，但真正通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)這個(gè)方案是非常難的?！睆埥苷f，過去20年間，他和團(tuán)隊(duì)為此做了很多預(yù)備性的實(shí)驗(yàn)和理論研究。

真正的大能量驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)始于2018年。在我國自主研制的大型激光裝置——神光二號(hào)升級(jí)激光裝置上，2018年至今，張杰團(tuán)隊(duì)已經(jīng)做了6輪驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，通過1萬焦耳激光實(shí)驗(yàn)證實(shí)了該方案中分解物理過程的可行性?！坝行?shí)驗(yàn)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(gè)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(gè)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(gè)學(xué)生都認(rèn)識(shí)張杰，他們主動(dòng)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(shí)，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(lì)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(tái)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(qǐng)數(shù)和經(jīng)費(fèi)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(shí)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(shí)，校長清空所有日程，花了整個(gè)上午聆聽上海交大十年來的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)。

“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?！睆埥苷J(rèn)為，任校長期間還花很多時(shí)間做自己的科研是不對(duì)的。“我任校長期間也寫論文，但主要都是高等教育的論文。”

■對(duì)話張杰

核聚變作為人類社會(huì)的能源已經(jīng)不遠(yuǎn)

在接受新京報(bào)記者采訪時(shí)，張杰表示，研究團(tuán)隊(duì)在2020年正要驗(yàn)證一個(gè)關(guān)鍵的物理過程時(shí)，碰上了新冠疫情。經(jīng)過各方努力，在疫情得到初步控制時(shí)，團(tuán)隊(duì)完成了非常少有的、完全由團(tuán)隊(duì)老師完成的實(shí)驗(yàn)。目前，團(tuán)隊(duì)已經(jīng)完成6輪驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)， 2026年之前，團(tuán)隊(duì)將完成一共18輪驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

研究型思維會(huì)給生活帶來無窮快樂

新京報(bào)：你是如何對(duì)物理產(chǎn)生興趣的？

張杰：我小時(shí)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(huì)感到非?？鞓?。

比如小時(shí)候看媽媽煮餃子，鍋一旦開始沸騰，要點(diǎn)3-4次涼水，餃子才能煮成。為什么要點(diǎn)涼水？后來我意識(shí)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(shí)溫度都是100℃，對(duì)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(huì)給餃子很大的動(dòng)能，這樣帶著很大動(dòng)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(dòng)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(shí)也常說，研究型思維會(huì)給你的生活帶來無窮的快樂。

新京報(bào)：求學(xué)期間有什么難忘的故事？

張杰：我上中學(xué)時(shí)，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(tái)播放英語，我就把哥哥小時(shí)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(diǎn)開始，晚上11點(diǎn)還有一次。青少年時(shí)期的孩子總也睡不夠，我經(jīng)常聽著聽著就睡著了，這時(shí)母親會(huì)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(jìng)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(bào)：你任職上海交大校長時(shí)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(huì)，我現(xiàn)場(chǎng)發(fā)表了即興講演。學(xué)生們很嗨，跟我握手，也正是從那時(shí)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(gè)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(duì)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(shí)是不對(duì)的。學(xué)生們?cè)诖髮W(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(huì)前的最后一站。學(xué)生在學(xué)校里會(huì)經(jīng)歷很多不同的事情，其實(shí)應(yīng)該鼓勵(lì)他們?nèi)ヌ剿?，即使在大學(xué)時(shí)代遇到一些挫折，也可能是他們一生的財(cái)富。

我也經(jīng)常主動(dòng)去參加同學(xué)的活動(dòng)，因?yàn)樾@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(yùn)動(dòng)會(huì)和教工運(yùn)動(dòng)會(huì)合并，做成類似于嘉年華的運(yùn)動(dòng)會(huì)，入場(chǎng)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(shí)，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(duì)社會(huì)建設(shè)發(fā)揮更重要作用的“全人”。

新京報(bào)：除了科研工作，你平時(shí)有什么愛好？

張杰：我喜歡體育運(yùn)動(dòng)，至今仍保持運(yùn)動(dòng)習(xí)慣?，F(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(bào)：點(diǎn)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(gè)“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(gè)“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(shí)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(diǎn)就是在于提高高度壓縮燃料的溫度。

快點(diǎn)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(diǎn)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(gè)國家。今年8月，在美國的國家點(diǎn)火裝置（NIF）上的實(shí)驗(yàn)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(diǎn)。

新京報(bào)：之前有說法是“實(shí)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(shí)間上可以用“十年”為單位來計(jì)數(shù)了，比如十年、二十年的時(shí)間，核聚變作為人類社會(huì)能源的明天即將到來。

2026年前還將開展12輪點(diǎn)火驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

新京報(bào)：你之前提到，去年的新冠疫情對(duì)快點(diǎn)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(duì)從2018年開始實(shí)驗(yàn)，2020年正要驗(yàn)證一個(gè)關(guān)鍵的物理過程時(shí)，碰上了新冠疫情。我們使用的神光二號(hào)升級(jí)激光裝置是全國最大的激光裝置之一，像足球場(chǎng)那么大，平常用戶排得非常滿，而我們的第四輪實(shí)驗(yàn)時(shí)間恰好遇到了新冠疫情。為了不浪費(fèi)實(shí)驗(yàn)機(jī)會(huì)，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(bào)批，恢復(fù)了激光裝置的運(yùn)行，我們實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)終于在3月初得以進(jìn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)。

但當(dāng)時(shí)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(duì)老師完成的實(shí)驗(yàn)。由于實(shí)驗(yàn)規(guī)模非常大，需要幾十臺(tái)設(shè)備同時(shí)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(shí)驗(yàn)，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(yàn)證實(shí)驗(yàn)，今年11月底，團(tuán)隊(duì)將開始進(jìn)行第7輪實(shí)驗(yàn)。2026年之前，我們將完成一共18輪驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

新京報(bào)：你研究的超短脈沖快電子束還可應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)超高時(shí)空分辨高能電子衍射成像，能簡單科普一下這項(xiàng)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(cè)。從2002年起，我們開始將精確可控的電子束應(yīng)用于超高時(shí)空分辨的電子衍射的研究。這項(xiàng)研究是要回答物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)中原子尺度的時(shí)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(cè)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)上原子隨時(shí)間的快速變化過程，這就需要我們具備觀測(cè)原子尺度時(shí)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(shí)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(shí)間的努力，我們已經(jīng)在空間分辨率上實(shí)現(xiàn)了希望達(dá)到的目標(biāo)，在時(shí)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(tái)世界上最先進(jìn)的超高時(shí)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(bào)記者 張璐

編輯 白爽 校對(duì) 李立軍