“物理思维”照亮探索之路

宇宙中，恒星是如何演化的?黑洞是如何形成的?地球能够拥有产生生命的条件，是机缘巧合，还是宇宙不断演变的结果?……上海交通大学校长、中国科学院院士张杰一直在研究这些课题。虽然2006年出任校长以来，张杰把大部分时间和精力放在了带领上海交大跨越式发展上，但他领衔的科研团队仍然不断取得令人瞩目的成果。
　　在物理学界，张杰因为在高能量密度物理、激光核聚变、X射线激光等研究领域的贡献而闻名，这些都是人类探索宇宙的重要内容。最近，张杰当选为美国国家科学院外籍院士，至此他已是“五院院士”，另外4个院士荣衔是：中国科学院院士、德国科学院院士、英国皇家工程院外籍院士和第三世界科学院院士。
　　被好奇心推上物理研究之路
　　“离地球越远的地方，我们的了解和认知越少。宇宙中95%以上空间处于高能量密度状态，黑洞、反物质和暗物质等宇宙的未知部分都是这种状态的物质……”张杰说，宇宙之谜令人好奇，“我走上物理研究之路，正是因为对自然的强烈好奇，而好奇，使我在大多数时候能够敏锐判断科研的方向。”张杰读小学时，父亲就带着他搞小发明。“父亲带我做孵小鸡的恒温箱，还教我自制了一个小小的机关放在孵蛋器底盘的隔层中，这样孵蛋器温度过高时就能自动通风降温，保持恒温。后来我还和父亲一起自制过盐酸，家里的日光灯管、橡皮气球等都是工具。”动手实践中，自然的奥妙展现在他面前，他对各种物理现象产生了浓厚兴趣。
　　在中科院攻读博士，张杰师从著名的激光物理学家王天眷和张道中教授。“激光可以说是上世纪最伟大的发现之一，也是帮助我们认识宇宙的一个重要手段。我们往往通过观测宇宙中各种射线以及光学现象来研究宇宙。”
　　1988年，张杰前往德国马普学会量子光学所深造，后来又去了英国牛津大学卢瑟福实验室从事科研工作，“因为那里有当时世界上最大的激光装置”。就是在卢瑟福实验室，他做出了世界上最短波长——5.8纳米波长的X射线激光。
　　X射线激光对于生命科学、生物医学和材料科学等很多学科的创新研究有着十分重要的价值，而X射线的2.2纳米到4.4纳米波段，是所谓的“水窗”波段——在这一波段，X射线的全息成像最清晰。多年来，科学家们为了实现“水窗”波段的饱和X射线激光输出，做着不懈努力，但由于可见激光产生的高温高密等离子体的条件十分复杂，加上在更短波长上产生激光辐射的本征物理困难，饱和X射线激光的输出一直徘徊在长于15纳米的波长范围。张杰领导的研究团队通过大幅度提高能量转换效率和减少等离子体对X射线激光折射等方法，在14纳米到5.8纳米波长范围内的多个波长上成功实现了X射线激光的饱和输出，解决了走向“水窗”的主要难题，在国际上产生了很大影响。
　　从事前沿科学研究需要耐心
　　“科研必须以问题为导向。一类是满足人们了解宇宙万物的好奇心的基础问题，还有一类是满足国家和社会发展需要的应用型问题。”张杰说，从事前沿科学研究尤其需要耐心和坚持。
　　张杰自2000年起与合作者开始实验室天体物理研究，由于难度极大，直到2006年，经历过很多次失败后，还是失败。“此时有人动摇了，虽然当时我们课题组的成员都认为这是值得坚持的研究方向，但确实不能保证一定会做出什么成果。”他说，“研究在坚持到第8年以后才开始取得进展，获得了一些重要成果，并且开辟了新的研究方向。”
　　过去，对天体和天文现象的研究，由于观测资料匮乏，往往只能推测;即使能观测，但由于有些天体距离地球太远，或者演化时间太长，很难有全面认识。随着高能量激光系统投入使用，科学家已能在实验室里模拟宇宙中各种物理现象，从而深入研究其中的关键问题。比如对探寻行星内部结构有重要意义的物质状态方程研究，对超新星爆发过程中的流体力学研究，对天文观测到的喷流现象的物理机制研究等。这就是上世纪末本世纪初刚刚兴起的高能量密度实验室天体物理学。
　　张杰带领的一个团队在做这项研究。他们在实验室中制造出类似黑洞或者其他致密天体周边的物理条件，对发生在黑洞周围的光电离过程以及发出的X光辐射作了细致研究。这使得科学家们能在实验室里研究极端条件下各种可能的物理过程，为天文学家们解读观测到的X射线光谱提供了有力依据，也为与天体物理有关的电脑程序提供了一个验证平台。
　　他的课题组参与了太阳耀斑实验，随后成功模拟出太阳耀斑中环顶X射线源和重联喷流，破解了太阳耀斑的物理机制，改变了过去对太阳耀斑现象的解释只能定性和唯象的状况，使人类对太阳这个离我们最近的恒星有了新的了解。这一工作成果于2011年入选“中国科学十大进展”。

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