張杰院士是物理大家，他在高能量密度物理和激光核聚變前沿研究領(lǐng)域做出重要貢獻(xiàn)，并于2003年當(dāng)選中國(guó)科學(xué)院院士、2007年當(dāng)選德國(guó)國(guó)家科學(xué)院院士、2008年當(dāng)選發(fā)展中國(guó)家科學(xué)院院士、2011年當(dāng)選英國(guó)皇家工程院外籍院士、2012年當(dāng)選美國(guó)國(guó)家科學(xué)院外籍院士，2015年榮獲在激光核聚變與高能量密度物理領(lǐng)域最重要的國(guó)際獎(jiǎng)項(xiàng)ー愛(ài)德華•泰勒獎(jiǎng)?wù)拢?021年獲得未來(lái)科學(xué)大獎(jiǎng)-物質(zhì)科學(xué)獎(jiǎng);直到今日，他還親自帶領(lǐng)著一支大型聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)奮戰(zhàn)在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)，為實(shí)現(xiàn)人類終極能源的夢(mèng)想而努力拼搏。

張杰院士也是教育大家，他多年從事人才培養(yǎng)且成效顯著，從2009年創(chuàng)立上海交大“致遠(yuǎn)學(xué)院”并親任院長(zhǎng)，提出并實(shí)踐了“致遠(yuǎn)模式”，到 2018 年回歸三尺講臺(tái)，集半生經(jīng)驗(yàn)與智慧繼續(xù)踐行創(chuàng)新人才培養(yǎng)之道，并于2014年獲得國(guó)家教學(xué)成果一等獎(jiǎng)，2023年獲得第四屆全國(guó)杰出教學(xué)獎(jiǎng)。

張杰院士還是管理大家，他在2003年到2006年間，擔(dān)任中美高能物理合作中方代表團(tuán)團(tuán)長(zhǎng)，創(chuàng)造性地解決了許多中美合作交流中體制機(jī)制性的問(wèn)題，得到中美雙方高度認(rèn)可，并被李政道先生稱作“忘年至交”;他在2006年到2017年間擔(dān)任上海交通大學(xué)校長(zhǎng)，提出并實(shí)施了以制度激勵(lì)為核心的現(xiàn)代大學(xué)治理體系的建設(shè)，在創(chuàng)新人才培養(yǎng)、科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新、文化傳承創(chuàng)新和社會(huì)服務(wù)創(chuàng)新方面推進(jìn)了系統(tǒng)的綜合改革，使上海交通大學(xué)成功躋身世界一流大學(xué)行列。

英文全文已公開(kāi)發(fā)表于High Power Laser Science and Engineering 2024年第3期，歡迎查看：Guoqing Chang, "An interview with Dr. Jie Zhang," High Power Laser Sci. Eng. 12, 03000e35 (2024)

常國(guó)慶：您是如何進(jìn)入高能量密度物理這一研究領(lǐng)域的?

張杰：我最早開(kāi)始研究紫外波長(zhǎng)激光，之后研究X射線激光，再往后研究激光核聚變和高能量密度物理，這是一個(gè)不斷深入的演化過(guò)程。我最初研究高能量密度物理是出于對(duì)高溫高壓下物質(zhì)的狀態(tài)與運(yùn)動(dòng)規(guī)律的好奇心，后來(lái)研究激光核聚變反應(yīng)的驅(qū)動(dòng)力則主要來(lái)自對(duì)人類終極能源的追求。

我自1982年在中國(guó)科學(xué)院物理研究所的博士階段以及之后在英國(guó)牛津大學(xué)與盧瑟福實(shí)驗(yàn)室的研究目標(biāo)都是將激光的工作波長(zhǎng)推向更短。在X射線波段的受激輻射，必須要在高階離化的離子能級(jí)間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，這種高階離化的等離子體狀態(tài)只能在高能量密度狀態(tài)下產(chǎn)生。我的研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)多年的共同努力，將X射線激光飽和輸出的波長(zhǎng)推進(jìn)到了“水窗”(2.2-4.3 nm)附近。自1995年開(kāi)始，我們團(tuán)隊(duì)開(kāi)始研究快點(diǎn)火激光核聚變過(guò)程和超高時(shí)空分辨下的物理過(guò)程。

常國(guó)慶：高能量密度物理為什么重要?

張杰：今天的宇宙起源于138億年前的一次極高能量密度的大爆炸，之后的宇宙演化也都與高能量密度物理過(guò)程密切相關(guān)。在可觀測(cè)的宇宙中，有95%以上的物質(zhì)都是以高能量密度的極端物態(tài)形式存在的，我們地球上以固體、液體和氣體組成的物態(tài)反而是宇宙中極其偶然和罕見(jiàn)的存在。我們?cè)诘厍蛏涎芯考す夂司圩冞^(guò)程，需要將氘氚燃料在極短的時(shí)間內(nèi)壓縮到極高的溫度和密度，誘發(fā)氘氚原子核的核聚變反應(yīng)。核聚變反應(yīng)所需的能量密度大于3500億個(gè)大氣壓，是極端高能量密度狀態(tài)。核聚變反應(yīng)發(fā)生后的能量密度還會(huì)進(jìn)一步提高，進(jìn)而可以研究宇宙中更加極端的未知物態(tài)。因此，高能量密度物理研究是非常重要的科技前沿，能夠滿足人類探索更高能量密度宇宙奧秘的需求。

常國(guó)慶：您提出了“雙錐對(duì)撞點(diǎn)火”的激光受控核聚變方案，這種方案有什么優(yōu)勢(shì)?

圖1 雙錐對(duì)撞點(diǎn)火方案

張杰：氘氚核聚變?nèi)剂蟻?lái)源幾乎無(wú)窮，核聚變反應(yīng)物沒(méi)有長(zhǎng)期放射性，單位質(zhì)量核聚變能源的效率要比化石能源高一千萬(wàn)倍以上。因此，人類要想最終解決碳基能源帶給我們的可持續(xù)發(fā)展問(wèn)題，必然會(huì)選擇更安全、高效和清潔的核聚變能源。無(wú)論從人類可持續(xù)發(fā)展對(duì)終極能源需求的角度，還是從國(guó)家戰(zhàn)略安全的角度，實(shí)現(xiàn)可控核聚變反應(yīng)都至關(guān)重要。當(dāng)然，實(shí)現(xiàn)可控核聚變反應(yīng)的難度極大，人類為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，已經(jīng)努力了50年。好消息是，在過(guò)去的幾年里，激光核聚變研究和磁約束聚變研究都取得了關(guān)鍵性進(jìn)展。

1997年，當(dāng)我還在英國(guó)盧瑟福實(shí)驗(yàn)室工作的時(shí)候，為了解決當(dāng)時(shí)激光核聚變快點(diǎn)火過(guò)程中的物理困難，就提出了用雙錐對(duì)撞的方法制備快點(diǎn)火過(guò)程需要的等容分布等離子體的想法。2018年，基于這個(gè)想法并結(jié)合近年來(lái)激光聚變過(guò)程的研究進(jìn)展，我們提出了完整的雙錐對(duì)撞點(diǎn)火方案。該方案采用雙錐對(duì)撞點(diǎn)火過(guò)程，將激光聚變的壓縮過(guò)程與加熱過(guò)程完全分離開(kāi)來(lái)，以便在降低最終階段的流體力學(xué)不穩(wěn)定性的同時(shí)，提高加熱效率。具體包含，1)錐內(nèi)等熵壓縮、2)向心內(nèi)爆加速、3)對(duì)撞預(yù)加熱以及4)磁場(chǎng)引導(dǎo)下的快電子加熱等四個(gè)緊密相聯(lián)的分解物理過(guò)程。相比于間接驅(qū)動(dòng)的中心點(diǎn)火方案，該方案具有激光聚變的加熱效率高、流體不穩(wěn)定性低等優(yōu)勢(shì)，從而可以大幅度提高激光聚變反應(yīng)的增益和可控性。

常國(guó)慶：雙錐對(duì)撞點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)?zāi)壳斑M(jìn)展如何?

張杰：自從提出雙錐對(duì)撞點(diǎn)火想法以來(lái)，我們陸續(xù)在不同的小規(guī)模激光裝置上完成了多次實(shí)驗(yàn)，不斷完善這個(gè)想法。與此同時(shí)，世界上多個(gè)團(tuán)隊(duì)也在此領(lǐng)域努力探索。從2018 年開(kāi)始，我組建了一支大型的聯(lián)合研究隊(duì)伍，研究人員主要來(lái)自于6個(gè)中國(guó)科學(xué)院研究所和10所大學(xué)。截至2023年12月，我們依托上海光機(jī)所的神光Ⅱ升級(jí)激光裝置，已經(jīng)完成了8輪大型物理實(shí)驗(yàn)，并成功地驗(yàn)證了錐內(nèi)等熵壓縮、向心內(nèi)爆加速、對(duì)撞預(yù)熱和磁場(chǎng)引導(dǎo)下快電子加熱過(guò)程的可行性，到2026年我們還要做10輪實(shí)驗(yàn)。我相信在不遠(yuǎn)的將來(lái)，核聚變能源將真正走進(jìn)千家萬(wàn)戶。

常國(guó)慶：2006-2017年期間，您任上海交通大學(xué)校長(zhǎng)時(shí)期，如何處理科研和管理之間的關(guān)系?

張杰：大學(xué)的使命是培養(yǎng)人才，需要校長(zhǎng)花費(fèi)大量時(shí)間學(xué)習(xí)、研究高等教育理論，還有大量對(duì)內(nèi)和對(duì)外的校務(wù)工作需要處理。此外，還需要拿出很多時(shí)間和老師們交流，參加學(xué)生們的大量課外活動(dòng)。出于對(duì)大學(xué)校長(zhǎng)職業(yè)的尊重與敬畏，我在擔(dān)任上海交通大學(xué)校長(zhǎng)期間，將自己進(jìn)行高能量密度物理研究時(shí)間壓縮到了最低程度，每年我最多只帶一個(gè)博士研究生，會(huì)全程參與他的科學(xué)研究，保持自己對(duì)創(chuàng)新的敏感，不脫離最新的科研實(shí)踐前沿。與此同時(shí)，我花了大量時(shí)間研究在快速轉(zhuǎn)型的中國(guó)國(guó)情下，如何通過(guò)建立高效的治理體系，實(shí)現(xiàn)中國(guó)大學(xué)發(fā)展質(zhì)量的快速提升，并發(fā)表了相關(guān)的高等教育學(xué)術(shù)論文。在那十年多的時(shí)間里，我與同事們一起，提出并實(shí)施了以制度激勵(lì)為核心的現(xiàn)代大學(xué)治理體系的建設(shè)，在創(chuàng)新人才培養(yǎng)、科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新、文化傳承創(chuàng)新和社會(huì)服務(wù)創(chuàng)新方面推進(jìn)了系統(tǒng)的綜合改革，使上海交通大學(xué)成功躋身世界一流大學(xué)行列。

圖2 致遠(yuǎn)學(xué)院“致匯營(yíng)”，張杰院士以“致遠(yuǎn)智慧創(chuàng)新”為主題作演講(圖片源自網(wǎng)絡(luò))

常國(guó)慶：從2021 年起，您擔(dān)任位于上海張江科學(xué)城的李政道研究所的第二任所長(zhǎng)。可以請(qǐng)您介紹一下李政道研究所的現(xiàn)有工作嗎?

張杰：李政道研究所于2016年正式成立，其科學(xué)使命是發(fā)揮大科學(xué)研究范式的優(yōu)勢(shì)和高度國(guó)際化的優(yōu)勢(shì)，從被動(dòng)、主動(dòng)、演生三個(gè)方向，在極端物態(tài)下物質(zhì)的起源、演化和結(jié)構(gòu)形成的研究上實(shí)現(xiàn)根本性突破，成為世界一流基礎(chǔ)研究機(jī)構(gòu)。李政道研究所在上海張江本部有兩個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和一個(gè)大型超級(jí)計(jì)算平臺(tái)，這三個(gè)研究平臺(tái)為探索極端物態(tài)提供最極端的探索能力，也為類似格點(diǎn)量子色動(dòng)力學(xué)等研究提供高規(guī)格的計(jì)算資源。

除此之外，我們還正在利用我國(guó)不同地理位置獨(dú)特的自然條件，建設(shè)具有極限探測(cè)能力的三個(gè)前進(jìn)觀測(cè)基地。第一個(gè)是已經(jīng)建成的PandaX液氙探測(cè)器，位于四川錦屏山埋深2400米的深地實(shí)驗(yàn)室，主要用于暗物質(zhì)粒子直接探測(cè)研究，在未來(lái)的五年內(nèi)，探測(cè)器將從目前的4噸體量升級(jí)到30噸體量。第二個(gè)是位于青海冷湖海拔4500米的賽什騰山上JUST光譜巡天望遠(yuǎn)鏡，主要用于黑暗宇宙的探測(cè)。第三個(gè)是建在海南南海海底3500米深處的TRIDENT中微子望遠(yuǎn)鏡，用來(lái)研究早期宇宙中極端高能的中微子來(lái)源。理論、實(shí)驗(yàn)再加上觀測(cè)，通過(guò)充分發(fā)揮大科學(xué)研究范式的優(yōu)勢(shì)，希望能夠給李政道研究所的科學(xué)家們提供最好的研究條件，深入探索宇宙中最根本、最基礎(chǔ)的科學(xué)問(wèn)題，探索自然的極限和拓展人類知識(shí)的邊界。

常國(guó)慶：請(qǐng)您評(píng)價(jià)一下李政道先生對(duì)中國(guó)科學(xué)技術(shù)發(fā)展的貢獻(xiàn)。

張杰：李政道先生一直高度關(guān)注與重視中國(guó)科技和高等教育事業(yè)的發(fā)展。李政道先生曾多次提出非常重要的方向性建議，從最早在中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)設(shè)立少年班到全面恢復(fù)高考，有力促進(jìn)了中國(guó)科教事業(yè)的全面復(fù)蘇。李政道先生還親自推動(dòng)中美物理研究生聯(lián)合培養(yǎng)考試(CUSPEA)的人才培養(yǎng)機(jī)制，建議成立國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)和博士后制度，甚至親手設(shè)計(jì)了國(guó)家自然科學(xué)基金委和中國(guó)博士后流動(dòng)站最初的會(huì)標(biāo)。更為重要的是，在改革開(kāi)放之初，李政道先生利用鄧小平先生1979年第一次訪美的機(jī)會(huì)，推動(dòng)了中美兩國(guó)政府正式簽署了高能物理合作協(xié)議，建立了中美科技合作的機(jī)制，這一機(jī)制對(duì)中國(guó)的改革開(kāi)放和高科技發(fā)展都發(fā)揮了非常重要的作用，而且也是中美兩國(guó)交流與合作的橋梁，我本人有幸在2003年到2006年期間，擔(dān)任中美高能物理合作機(jī)制的中方代表團(tuán)團(tuán)長(zhǎng)，直接在李政道先生的指導(dǎo)下工作，得到他的高度認(rèn)可，并榮幸地被李先生稱為“忘年至交”。

常國(guó)慶：您在科學(xué)研究中有沒(méi)有遭遇過(guò)艱難時(shí)刻?您是如何克服的?

張杰：作為物理學(xué)家，我每天都會(huì)面臨新的挑戰(zhàn)，遇到的失敗遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于成功。不過(guò)我是樂(lè)觀主義者，喜歡接受困難的挑戰(zhàn)。克服困難重在堅(jiān)持、不放棄，科學(xué)研究本就不會(huì)一帆風(fēng)順，樂(lè)觀的心態(tài)與永不言棄的精神在科研過(guò)程中必不可少。比如，研制原子尺度超快時(shí)間分辨的電子衍射裝置需要更多的經(jīng)費(fèi)支持。從2011年起，我們開(kāi)始申請(qǐng)國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)的儀器設(shè)備重大創(chuàng)新項(xiàng)目，盡管團(tuán)隊(duì)全力以赴，還是遭遇了兩次申請(qǐng)失敗。我們并沒(méi)有放棄，直到2013年6月，終于申請(qǐng)到了這個(gè)項(xiàng)目，又經(jīng)過(guò)五年多的努力，在2018年我們成功地研制出世界上為數(shù)不多的兆電子伏能量的超快電子衍射和成像實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)現(xiàn)了亞毫埃級(jí)的結(jié)構(gòu)變化解析能力，并將超快電子衍射的時(shí)間分辨率提高到優(yōu)于50 飛秒，打破了世界紀(jì)錄。后來(lái)，我們與合作者成功地實(shí)現(xiàn)了用光場(chǎng)來(lái)控制量子材料的維度，并觀察到瞬時(shí)的光致新奇物態(tài)。我們還將這些新技術(shù)應(yīng)用到了小型化的高能粒子加速器、相變以及單分子成像等重要物理與化學(xué)的瞬態(tài)過(guò)程的觀察。

圖3 2021年超快電子衍射與成像團(tuán)隊(duì)合影(圖片源自網(wǎng)絡(luò))