“未来科学大奖”获得者张杰：实验室里“再造小太阳”

张东亮

在刘的科幻小说《中国太阳》中，科学家通过人造太阳给人类带来“终极能源”，出生在煤矿的孩子成为人造太阳工程的工人。在现实中，杰森团队研究的快燃激光聚变的物理过程是探索如何在实验中“再造小太阳”，模拟太阳中的核聚变反应。核聚变能源的效率是化石能源的1000万倍以上，而且非常安全清洁！一旦成功，意味着中国将彻底告别化石能源。像漫威宇宙中钢铁侠胸前的能源，流浪地球中推动地球前进的核聚变引擎，都有可能成为现实。9月12日，这位正在寻找人类取之不尽的终极能源的科技人，获得了被称为“中国诺贝尔奖”的未来科学奖，奖金一百万美元(约合人民币650万元)！制造中国第一台飞秒激光装置。

在中国科学家中，贾森颇有名气，尤其是在X射线激光和强场物理领域，享有很高的学术地位和国际威望。杰森获得未来科学奖的理由是:“奖励他通过调控激光与物质的相互作用产生精确可控的超短脉冲快电子束，并应用它实现超高时间空分辨率的高能电子衍射成像和激光核聚变的快射研究。”

通俗地说，杰森获奖的原因是，他利用激光与“靶”的相互作用产生超短高能电子脉冲，在物质微观结构的超快变化上拍出了一部微观世界演化的电影；同时，这样的高能电子束还可以像火柴一样点燃实验室产生的高温高密度聚变靶，实现人造小太阳，获得聚变能量。

作为一名物理学家，杰森对自然科学的兴趣始于他父亲的启蒙。杰森1958年出生于山西太原，随父母在内蒙古长大。小时候，杰森在父亲的指导下，做了很多“小发明”来贴补家用。古代草原上有一种土鸡，很大，蛋也很大，但是不经常下蛋。于是父子俩想做“品种改良”，提高产蛋率。他们利用双金属片受热弯曲的特性，制作了一种简单的自动温度调节器。然后，他们把多层瓦楞纸做成的保温箱放在炕上加热。达到一定温度后，双金属片会弯曲，于是他们立即通风，降低箱内温度。双金属片恢复原状后，他们停止通风，保持恒温。这是杰森小时候的第一次物理实验。

初中的时候，因为内蒙古偏远地区缺少老师，英语课不得不停课。杰森的妈妈偶然发现陕西广播电台有英语节目，于是鼓励儿子自学。英语广播每天分早中晚三次播出。由于自制收音机的性能有限，中午广播的噪音太大，我们只能勉强接收到早晚广播的短波信号。所以每天早上6点，妈妈叫醒他，听英语广播。半夜，妈妈会叫醒正在打瞌睡的杰森，继续听收音机。就这样，他掌握了英语。

高考结束后，杰森被内蒙古大学物理系录取。获得学士和硕士学位后，考入中国科学院物理研究所，师从著名物理学家王、、张道忠。1988年获得博士学位后，前往德国马克斯·普朗克量子光学研究所从事研究工作。两年后，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Vulcan高能激光装置开展高能密度物理的前沿研究。在此期间，他和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——从20纳米和15纳米到接近“水窗”波长的5.8纳米饱和X射线激光输出。

转眼间，杰森在国外工作生活了10年。杰森说，他刚到欧洲时，震惊地发现德国超市晚上都亮着灯，家家都有车，高速公路四通八达。当时他就想，我们中国人什么时候才能过上这样的生活？虽然国外的工资很丰厚，至少是他在国内的几十倍，但当时由于我国像他这样的顶尖物理人才严重短缺，1999年接到祖国的召唤后，杰森毅然回到北京，按照组织安排在中科院物理研究所工作。

当时中国的科研条件还是很艰苦的。他刚回国的时候，没有实验室，没有研究设备，缺乏科研经费。当时Jason和物理所仓库管理处达成协议:如果其他研究组有设备要报废，会第一时间通知他，他会去看看是否可以用于自己的项目。“我们的一些早期实验设备是在仓库里发现的。其他人不想要。我们把它捡起来，修理后重新使用。现在回想起来，这些克服困难的过程就是人生的财富。”

就这样，张杰和同事魏志义一起，造出了我国第一台太瓦级飞秒激光装置，及先进的实验诊断设备。这台被张杰命名为“极光一号”的飞秒激光装置，是当时高能量密度物理研究必不可少的设备。之后，随着我国对科研经费投入的增多，“极光二号”、“极光三号”以及大量实验诊断设备的相继建成，张杰研究组的科研条件得到了全面改善。

中国“人造小太阳”就这样，杰森和同事魏志毅一起，创造了中国第一台太赫兹飞秒激光装置和先进的实验诊断设备。这台被杰森命名为“极光一号”的飞秒激光装置，是当时高能量密度物理研究的必备设备。之后，随着我国科研投入的增加，“极光二号”、“极光三号”和大量实验诊断设备相继建成，杰森研究组的科研条件得到全面改善。中国的“人造小太阳”

实验室里的“再造小太阳”

2003年，45岁的杰森当选中国科学院院士，后被德国国家科学院、第三世界科学院、英国皇家工程院和美国国家科学院选为院士和外籍院士。这种世界上有五个院士头衔的人，在整个中国都是非常少见的。

2006年，贾森出任上海交通大学校长，成为建国以来交大历史上最年轻的校长。在任的11年间，他和同事们一起努力，使上海交通大学成为世界上发展最快的大学之一。

杰森带领团队，在快电子束的产生和应用方面取得了一系列重要突破。2015年，他获得了爱德华·泰勒奖章，这是激光聚变和高能量密度物理领域最重要的国际奖项。杰森也有幸成为第一位获得该奖项的中国科学家。

多年来，杰森和世界上其他物理学家一直被一个重大问题所困扰。即随着工业的快速发展，对煤炭、石油、天然气等化石能源的需求越来越大，总有一天会枯竭，人类面临着严重的能源和环境危机。例如，煤和石油的燃烧会产生碳排放，污染空气体，并导致全球变暖。事实上，危险迫在眉睫。

当然，人们想了很多办法来尝试使用太阳能、风能、水能等可再生能源。但是这些能源也有一个问题——它们是间歇性能源。比如太阳能非常依赖日照条件，所以可再生能源在电网中的比例不能太高。目前主要能源是化石能源。

在刘的科幻小说《中国的太阳》中，科学家用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，而出生在煤矿的孩子则成为人造太阳工程的工人。现实中，这个神话真的能成真吗？杰森直截了当地说，答案是肯定的！

万物靠太阳生长。可以说，太阳是地球最大的能源。它的表面温度约为6000摄氏度，核心温度约为1500万摄氏度。就像一个熊熊燃烧的火球，每秒钟能释放出相当于一亿吨煤完全燃烧的能量。为什么太阳能产生这么多能量？因为内部持续的核聚变反应。支持这种聚变反应的主要原料氘在地球上极其丰富。

有人曾问他，那你有了太阳为什么还要造一个“太阳”？杰森解释说，据测算，从1升海水中提取的氘在核聚变反应后会释放出能量，相当于燃烧300升汽油的能量。一立方千米海水中所含的氘，聚变反应产生的能量，相当于地球上所有石油储量产生的总能量。

海洋中大约有40万亿吨氘。如果人类能够控制这种能量，理论上，聚变反应释放的能量足够人类使用数百亿年，几乎是无穷无尽的。因此，模仿太阳聚变反应原理建造“太阳”被科学家认为是解决人类能源危机的最佳方案。

核聚变的原理是质量更小的原子，如氢同位素氘、氚，在极高的温度条件下，使核外电子摆脱原子核的束缚，两个原子核相互碰撞聚合，生成质量更重的新原子核氦，由于质量亏损和质能转换，释放出巨大的能量。

“简单来说，地球上‘最容易’的氘氚核聚变反应的最终产物是携带能量的氦和中子，氦非常干净。杰森说，说到核裂变，人们还是有点怕它，怕它的核废料有放射性。然而，聚变能不会产生核废料、碳排放、放射性废物和燃料棒熔化的灾难。这是一种清洁能源。

杰森说，可控核聚变需要的原料是氢的两种同位素，氘和氚。氘可以从海水中提取，氚可以从地球上储量丰富的锂中生成。氚又称超重氢，半衰期为12年，氚与氘的聚变反应最容易。

但是，人类要想在地球上成功实现可控热核聚变反应，获得巨大的能量，必须创造以下三个必要条件。一是极高的温度，使氘氚燃料成为超过1亿摄氏度的热等离子体；二是极高的密度，使氘氚核的量子隧穿几率变大，便于留下聚变产生的α粒子能量继续参与核聚变反应；第三，等离子体被长时间约束在有限的空空间内。

杰森说，激光具有极佳的方向性、相干性和偏振性。因此，激光与物质的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，高能电子束可以准确地将其携带的能量输送到预压缩的聚变燃料中，从而实现快速加热，触发核聚变反应。核聚变的效率是化石能源的1000多万倍！荣获2021年“未来科学奖”

有趣的是，在研究过程中，杰森和他的团队成员并没有感到厌烦。他开玩笑说，他不太认同那种把学习和科研比作“学海无涯，作舟不作舟”的苦行僧文化。“其实科学探索的根本动力是人的好奇心，这个过程很快乐。很多时候，我们过分强调科研的枯燥。事实上，探索自然奥秘的好奇心和解决难题的满足感才是科学家探索的最大动力。”他开玩笑说，这比食物、游戏或其他娱乐活动产生的多巴胺强得多。

杰森平时喜欢运动。现在他每两天跑8公里，做一些力量训练。他认为，强壮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，杰森还非常喜欢阅读和音乐，这可以让他换个角度思考，促进科学研究。思考问题的时候，有时候会一直卡在某个地方。这时候你可以换个思路，做点运动，听听音乐，回头看看，找到不一样的解决方法。

杰森说，到目前为止，人类对可控核聚变的研究主要分为两类。一种是磁约束核聚变，典型的实验装置，如中科院合肥物质科学研究院的全超导托卡马克核聚变实验装置(EAST)，法国的ITER实验装置。二是激光核聚变，典型的实验装置，如中国的申光激光装置和美国的国家点火装置(NIF)。

激光核聚变包括燃料压缩和加热两个阶段。杰森解释说，传统的中心点火激光核聚变方案需要能量巨大的激光装置同时压缩和点燃氘氚燃料，而这一过程涉及极其复杂的非线性物理过程。然而，由于效率低，在未来，作为核聚变能源的产生，有必要探索一种新的点火方案。

目前，Jason团队正在探索一种新的点火方案，利用特别设计的激光波形和靶位配置，将压缩过程与点火过程分离，通过精确控制的超短脉冲高能电子束快速点燃压缩燃料，以降低物理不稳定性，提高激光能量对点火能量的效率。

其中，超短脉冲高能电子束的精确控制是点火的关键。多年来，Jason团队通过大量的实验和理论研究，实现了对高能电子束发射方向和能量的精确控制，以及表面自生电磁场对高能电子束的引导和聚焦。

“我们的激光聚变实验研究，主要是使用我国自主研制的神光二号大型激光装置，目前我们的方案已经完成了6轮实验，并取得了不小的进展。”接下来，张杰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。核聚变两大产物之一是阿尔法粒子，“每个阿尔法粒子带有3.5兆电子伏能量，在实验中我们会想办法把这个能量留下来，以便继续加热氘氚等离子体，实现自持燃烧。”

张杰举起冠军奖杯祝贺国科大排球队夺取冠军“我们的激光聚变实验研究主要使用中国自主研发的大型激光装置申光-2。目前，我们的方案已经完成了六轮实验，取得了相当大的进展。”接下来，杰森的团队将再做12轮实验，同时进一步升级申光-2激光装置。他们的目标是在2026年验证α粒子的自加热，这将为快射方案的实现提供坚实的实验基础。核聚变的两个主要产物之一是α粒子。“每个阿尔法粒子都有3.5兆电子伏的能量。在实验中，我们会想办法把这些能量留下来，以便继续加热氘氚等离子体，实现自持燃烧。”杰森举起冠军奖杯祝贺国科大排球队夺冠。

杰森说，“人类为了实现磁约束核聚变和激光核聚变的点火，已经努力了几十年。”如今核聚变的这两条研究路径已经“达到了门槛”:核聚变的输出能量和输入能量达到了平衡点。一旦跨过这个门槛，下一步就是让输出能量达到输入能量的10倍、100倍的目标。届时，核聚变能源的商业利用将成为现实，可以建造大型商业发电站。

杰森调侃道，一旦可控核聚变成功，意味着漫威宇宙中钢铁侠胸口上的能源，流浪地球中推动地球前进的核聚变引擎，都有可能成为现实。

现在，杰森院士的研究团队已经成为具有国际影响力的协同创新中心，在激光聚变、高能量密度物理等领域持续探索。

9月12日上午，未来科学奖在北京公布了2021年获奖名单。这一被称为中国诺贝尔奖的荣誉奖设有生命科学奖、材料科学奖和数学与计算机科学奖三个奖项，单个奖项奖金100万美元(约合650万人民币)。杰森院士获得“材料科学奖”。他也是这个未来科学奖唯一的国内获奖者。

该奖项主要表彰他通过调控激光与物质的相互作用产生精确可控的超短脉冲快电子束，并应用于实现激光核聚变的超高时间空分辨率高能电子衍射成像和快速点火研究。

杰森说，他最想和家人分享这份喜悦。“很多年来，他们一直陪伴着我，尤其是我的父母，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。”

此外，杰森还提到了物理学家的责任。他认为物理学家有责任解决人类社会面临的最具挑战性的问题，探索自然界最不可思议的奥秘。他说，如果聚变能源能够尽快实现，将是人类社会可持续发展的根本保障。