實驗室里“再造”太陽

寂靜天花板

上海交通大學校長、中國科學院院士、激光等離子體物理學家。1999年，張杰由英國牛津大學回國組建研究團隊，經(jīng)過十幾年的努力，這個20多人的團隊已經(jīng)成為激光聚變和高能量密度物理研究領域國際領先的團隊之一。也正是鑒于他的學術成就，張杰教授于2003年當選為中國科學院院士、2007年當選為德國科學院院士、2008年當選為第三世界科學院院士、2011年當選為英國皇家工程科學院外籍院士、2012年當選為美國科學院外籍院士。
5 t7 J6 z" d8 @4 U8 Z0 c& f了解宇宙的奧秘是人類長久以來的愿望，我們現(xiàn)在所處的宇宙是如何形成的，我們所能夠觀測到的宇宙之外又是什么？這一直是科學家乃至大眾的興趣所在。人類探索宇宙奧秘的腳步從來都沒有停止過。

* J0 P! _$ v8 x- W要想追溯宇宙的過去，不得不了解宇宙中曾經(jīng)發(fā)生過什么，現(xiàn)在正在發(fā)生著什么。
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但是，宇宙中的天體幾乎每一個詞都意味著大尺度，其中的一些空間尺度甚至大到無法用我們現(xiàn)有的概念去度量。


宇宙中除暗物質、暗能量外，等離子態(tài)占總質量的99%。

6 e" u0 ?' M6 |而一些天體物理現(xiàn)象，其演化時間的尺度也長到我們無法想象。因此不論是大爆炸理論，還是近年來國際學術界研究的熱點問題，比如暗物質、反物質、超弦等，至今要么只有間接觀測到的證據(jù)，要么就只存在于物理理論的預言中。
! n5 ]+ l3 T5 H* }+ F) c& p- J" [
) T6 t1 Z- V+ `( y. F但，對宇宙的探索不僅能解答我們從哪里來，又將往哪里去這樣的終極問題。更意味著一種逐漸增加的可能性，那就是我們可以尋求在宇宙中拓展生存空間。而新世紀以來，太陽這類恒星的能量產生機制又給人類帶來了終極能源的希望。用張杰的話來說：“宇宙和自然帶給我們無限的遐想，它的運行規(guī)律也給我們帶來了更多的思考空間。”

9 y2 l! A3 J/ W- M' b) [* \在實驗室里再現(xiàn)宇宙中的天體物理過程，并且以此來驗證現(xiàn)代物理理論預言，也一直是科學家們的夢想。就在不久前，張杰被美國核學會授予激光聚變和高能量密度物理領域國際最高獎——愛德華·泰勒獎，以表彰他及他所帶領的研究團隊在快點火激光聚變研究和在強激光實驗室天體物理研究上的重要貢獻。
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地球附近一個年僅30歲的黑洞被錢德拉X射線望遠鏡發(fā)現(xiàn)。這個黑洞是距離地球約5000萬光年的M100星系中超新星“SN1979C”的余燼，正在吞噬這顆超新星和伴星落下的物質。

2 G2 a: ~/ L% S& R3 m超強激光技術的快速發(fā)展，使實驗室里“再現(xiàn)”天體物理過程成為可能
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在實驗室研究宇宙中各種物理過程，完善現(xiàn)有的物理理論體系并據(jù)此做出新的預言，這一直是科學家們夢寐以求的愿望。因為包括大爆炸理論在內的物理理論，有很多至今還只存在于理論預言之中，或者是遠距離觀測和物理模型演繹中。

6 g+ A; x  x+ p, M. B+ L7 v近年來，強激光技術的快速發(fā)展，為科學家們在強激光實驗室里研究宇宙中的天體物理過程，包括模擬超新星爆發(fā)或研究黑洞邊緣的高能量密度物理現(xiàn)象等極端天體物理過程，提供了可能。

( K! G4 [7 O3 h; ~+ E4 y! L激光是一種人造的光源，是20世紀以來，繼原子能、計算機、半導體之后，人類的又一重大發(fā)明。

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8 e1 U5 a" {9 U) e) }. N去年，NASA計劃發(fā)射衛(wèi)星去研究太陽磁重聯(lián)現(xiàn)象。
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激光的特點是方向性強、相干性高，因此激光可以將大量光子集中在一個極小的空間范圍和時間長度內發(fā)射。激光的亮度約為太陽光的100億倍。如果將強激光光束聚焦在靶材料上，焦點處的壓強就相當于在一個手指頭大小的面積上放上10艘滿載的尼米茲級航空母艦所產生的壓強。在如此大壓強下的極端高能量密度的物質狀態(tài)，就與一些極端天體物理狀態(tài)類似。正是這樣的極端物理環(huán)境，為科學家們在實驗室中對天體物理進行主動、近距、可控的實驗研究提供了新方法，并由此產生了一門新興學科——強激光實驗室天體物理學。
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4 O( S0 e$ ^- ?5 a( D- Y2 ]" A“如此極端的物理條件只是近年來才開始能在實驗室中實現(xiàn)，并且逐漸為天體物理學家們所認可。”張杰的合作伙伴、中科院物理所研究員李玉同在接受記者采訪時說：“自從1960年第一臺激光器發(fā)明以后，人們一直在追求更高的激光功率。1985年啁啾脈沖放大技術的發(fā)明，將激光的峰值功率密度提高了一百萬倍以上。這種超短超強激光技術的突破為物理學前沿的發(fā)展提供了巨大機遇。而張杰早在上世紀90年代初在英國牛津大學工作時，就利用盧瑟福實驗室剛升級改造過的超短超強激光裝置研究高能量密度最前沿的物理問題，并且取得了一系列重要突破。”
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: Y& d4 E! M0 K1 X/ m天體物理與激光等離子體物理聯(lián)姻，強激光實驗室天體物理學應運而生


, T9 E% X3 w' t# t9 f等離子體在當代社會發(fā)揮了重大作用。

目前天體物理的研究方法一般分為兩類，一類是通過觀測手段來研究，還有一類則是通過理論和模型來研究。
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上世紀90年代，哈勃望遠鏡入軌觀測以及各種空間望遠鏡的發(fā)展，使得人類對宇宙中天體物理過程的觀測手段有了很大的完善。但是，對于一些特殊的天體物理過程，要么由于觀測資料匱乏，對其特性的研究僅限于推測；要么由于距離地球太遠，仍然不易觀測到；或者是由于演化時間太長，在有限的時間內，很難有比較全面的認識。

" i" S+ D0 o; C. Y強激光技術的快速發(fā)展為實驗室天體物理學的誕生提供了基礎。但是，實驗室天體物理研究，最初并不為傳統(tǒng)的天體物理學家所認可。
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, W2 [  R3 t' C/ x+ B0 T( L/ s+ |+ }“直到近幾年，利用強激光實驗室研究天體物理過程取得了重要進展以后，才逐漸被天體物理學家們所接受。”李玉同說，“而張杰教授與國家天文臺趙剛研究員所領導的聯(lián)合研究組，顯然在這個過程中起了很大的推動作用。”

% \* r5 D5 G. ]4 v* _8 y* m# L在天體物理學家看來，大尺度的天體物理過程如果要靠強激光實驗室里的那些“小”裝置來研究，必須滿足嚴格的標度變換關系，即實驗室的天體物理研究對象的參數(shù)經(jīng)過標度變化后應與大尺度的天體物理過程的參數(shù)相似，以保證在實驗室里進行的天體物理過程與大尺度的天體物理過程遵守同樣的物理方程。這就是科學認知的相似定律。
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最關鍵的是，隨著高能量強激光系統(tǒng)的投入使用，人們能夠在強激光實驗室中獲得前所未有的極端物理條件，深入細致地研究天體物理中諸多重要關鍵問題，由此誕生的高能量密度實驗室天體物理學（HEDLA）。

這一學科誕生之初就產生了許多激動人心的探索結果——對行星內部結構有重要意義的物質狀態(tài)方程的認知，超新星爆發(fā)過程中的流體動力學過程的理解，和對天文觀測發(fā)現(xiàn)的噴流現(xiàn)象的物理機制的發(fā)現(xiàn)等。

例如，太陽耀斑是離地球最近的天體劇烈釋能現(xiàn)象之一，人們普遍認為其形成的可能機制是太陽表面磁場的重聯(lián)過程所造成的。這一認識的直接證據(jù)是在太陽耀斑中觀測到的環(huán)頂X射線源。但由于天文觀測的局限性，對這一現(xiàn)象的解釋大多是定性和唯象的。
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1 c+ Y6 I2 u1 u4 S& k' M張杰與趙剛的聯(lián)合研究組，利用我國的神光II強激光裝置的8路激光光束與特殊構型靶相互作用，巧妙地“重現(xiàn)”了太陽表面發(fā)生的重聯(lián)過程，對太陽耀斑中的環(huán)頂X射線源和重聯(lián)噴流進行了實驗研究。發(fā)現(xiàn)實驗結果與理論模擬驚人地相似，他們還對傳統(tǒng)理論中的不足之處提出了挑戰(zhàn)。這一重要成果也入選了2011年度中國科學十大進展。

這項工作證明了在強激光實驗室對天體物理過程進行實驗模擬研究的可行性，為天體物理問題的研究提供了一個新思路。除此之外，他們還在黑洞附近光電離過程、超新星爆發(fā)導致的無碰撞沖擊波等重要天體物理前沿問題的研究中，取得了多項重要突破，受到國際同行的高度評價。

在實驗室模擬太陽聚變反應，尋找人類終極能源

在科幻作家劉慈欣的短篇小說《中國太陽》中，科學家通過人造太陽為人類帶來終極能源，而出生在煤礦的孩子成為了人造太陽工程的工作人員。在現(xiàn)實中，全球科學家們也一直夢想著能夠在實驗室里實現(xiàn)太陽的聚變反應，以獲得取之不盡的清潔能源。張杰團隊研究的快點火激光聚變物理過程的終極目標就是探索如何在實驗中“再造小太陽”，模擬太陽中的核聚變反應。

激光聚變反應并非新概念，早在1962到1964年間，就由前蘇聯(lián)的巴索夫、美國的J.M.Dawson和我國的王淦昌等分別獨立提出用高功率脈沖激光來實現(xiàn)激光聚變。
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（注：由愛因斯坦質能方程E=mc2

0 O/ l- Q1 F" t. d可知，物質具有的能量與它的質量之間存在著簡單的正比關系，并在一定條件下可以相互轉化，由于轉化系數(shù)非常大(光速c的平方)，所以很小的質量損失便會產生巨大的能量。）
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* K  Z- E! i" l) Z9 \0 R% \如果原子核反應后的總質量小于反應前的總質量，則減小的質量將變?yōu)槟芰酷尫懦鰜怼：司圩兎磻褪菍蓚€比較輕的原子核聚合成一個新的原子核，在聚變過程中消失的質量，直接轉變?yōu)榫薮蟮哪芰浚@是目前效率最高的核反應，是鈾235裂變反應所釋放能量的數(shù)倍。

! F3 b' y- N8 L+ b“核聚變反應是我們人類永久性地解決能源問題的終極選擇。”張杰在接受記者采訪時說，目前世界上大多數(shù)核電站都是采用核裂變反應，通過中子撞擊原子核，使之裂變?yōu)閮蓚€較輕的原子，從而釋放出巨大的能量。
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+ X8 Q7 [! c8 r% @但，這一方式有放射性污染的風險。核聚變反應則不同。張杰說：“核聚變反應在宇宙中是普遍的現(xiàn)象。在太陽和許多恒星內部，溫度高達100萬攝氏度以上，在那里進行著劇烈的核聚變反應。太陽每秒中放出的能量約為3.8×1026焦耳，到達地球的僅約為太陽每秒釋放能量的20億分之一，但對人類卻意義重大，因為我們地球上目前使用的絕大多數(shù)能源均來源于太陽。”
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地球上的海水中富含核聚變燃料氘和氚，如果每升海水中所蘊含的氘和氚發(fā)生完全的聚變反應，能產生相當于300升汽油燃燒時釋放的能量。以此推算，根據(jù)目前世界能源消耗水平和海水存量，聚變能可供人類使用數(shù)億年，甚至數(shù)十億年，因此，聚變能被看作人類的終極能源。
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! R8 g; x0 N  X5 r8 @0 b3 L3 |" G0 o早在上個世紀中葉，人類在地球上就已經(jīng)實現(xiàn)了核聚變反應，比如，氫彈。但是這些核聚變反應都是瞬間發(fā)生的。只有實現(xiàn)可控核聚變，使之能夠持續(xù)卻相對緩慢地發(fā)生聚變反應才能使核聚變能成為人類的終極能源。因此實現(xiàn)受控核聚變反應，實現(xiàn)持續(xù)的能量凈輸出成為科學界聚焦的重大科學問題。
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! A5 R; _. a% S* \: x8 Y激光聚變是實現(xiàn)受控核聚變的主要途徑之一。即，利用激光驅動器提供的巨大脈沖能量對核聚變燃料靶丸加熱并迅速使靶丸中的燃料升溫電離，氘、氚形成等離子體，在等離子體中的高溫離子由于自身慣性作用還來不及向四周飛散的極短時間內，通過向心爆聚并壓縮到高溫、高密度狀態(tài)，從而發(fā)生核聚變反應。

為實現(xiàn)激光核聚變，美國在加州的利弗莫爾國家實驗室建成了國家點火裝置(National Ignition Facility，簡稱NIF)。NIF自1994年啟動，于1997年正式開始工程建設，2009年竣工，并在2010年開始了正式的點火實驗。用于容納國家點火裝置的建筑物長215米，寬120米，相當于三個足球場，是目前世界上最大的激光聚變實驗裝置。有估算稱，國家點火裝置總造價高達70億美元。
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4 m% V  e0 }1 o7 U) `* ^6 j! R但是這一裝置的建成并非意味著激光聚變的實現(xiàn)。NIF至今都未能實現(xiàn)輸出功率大于輸入功率。“在聚變時的輸出功率必須要大于促使聚變發(fā)生的輸入功率，這才是有意義的。”張杰告訴記者，“NIF已達工程極限，但由于激光聚變物理過程的本征復雜性，點火遇到了極大的困難。最主要的原因是人類對激光與等離子體相互作用中電磁場快速變化所造成的各種時空非線性物理過程還缺乏深入的理解。”目前激光聚變研究所遇到的困難已經(jīng)成為全世界科學家們的共同挑戰(zhàn)。而這也是張杰課題組近五年來研究的重要內容。
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1 f; H8 S; P) T3 o" a用創(chuàng)新參與國際競爭，揭開快點火激光聚變錐靶實驗的中子增強之謎

- U4 X# i' u: u8 e# P( Y; }6 H$ g為了實現(xiàn)氘氚核燃料的持續(xù)燃燒，模擬出太陽的聚變反應。在過去的幾十年中，人們先后提出了中心點火激光聚變和快點火激光聚變等物理方案。

其中快點火激光聚變方案有望大幅降低驅動激光的能量和激光等離子體的不穩(wěn)定性，因此受到了世界范圍的廣泛關注。
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NIF的主要物理方案是中心點火方案，即利用高功率脈沖激光光束均勻輻照微球氘氚靶丸，由靶面物質的消融噴射產生的反沖力使氘氚燃料快速地被壓縮升溫至1億攝氏度以上的極高溫和1000億倍大氣壓的極高壓，從而實現(xiàn)氘氚核燃料的持續(xù)燃燒。
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( _' |% {8 g2 J" L  y) O5 @( I由于在中心點火方案中，同時進行的壓縮過程和點火過程涉及到極其復雜的非線性物理過程。如果激光的焦斑有微小的不均勻或者氘氚靶丸的表面有微小的不光滑，這種不穩(wěn)定性就會將壓縮過程中的任何不均勻指數(shù)放大，從而造成壓縮的失敗。因此，中心點火方案對激光輻照的球對稱性和均勻性以及靶丸表面的光滑度都有極高的要求。
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: R+ a# D4 \9 |; M/ H+ c# U" B& k快點火激光核聚變，則是通過將壓縮過程與點火過程的分離，大幅度降低了對激光驅動器的要求，提高了激光聚變的點火效率。簡言之，即通過高能量納秒激光來壓縮氘氚燃料到尚不足以引發(fā)不穩(wěn)定性的密度，接著使用更高強度的整形皮秒激光脈沖與預先壓縮后的靶丸相互作用，產生合適能量的高能電子束流，將能量快速傳輸并沉積在預壓后的靶丸內部，使得靶丸的局部快速升溫，實現(xiàn)中子產額的明顯增加和自持燃燒，通過這樣的方式提高點火的效率。
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8 ?9 u) F: v1 ?8 Z如果用汽車發(fā)動機的工作原理來比喻，中心點火方案相當于柴油發(fā)動機，在壓縮汽化燃料的同時實現(xiàn)升溫至自燃，這需要極大的能量輸入。而快點火方案則與汽油發(fā)動機原理類似，將燃料壓縮到一定程度后，由火花塞點火。在快點火方案中，超強加熱激光脈沖產生的大量高能超熱電子，給預先壓縮至臨界點的氘氚燃料快速加熱到聚變溫度，實現(xiàn)自持燃燒。

所以，在快點火物理方案的研究中，高能超熱電子的定向產生和可控傳輸是快點火激光聚變成功的關鍵。張杰與上海交大盛政明教授帶領的研究團隊，經(jīng)過6年多時間深入細致地對超強激光的偏振態(tài)、不同等離子體密度、不同強度下激光吸收機制轉化關系以及超熱電子發(fā)射方向對超強激光入射角度的依賴關系等重要規(guī)律性的研究，發(fā)現(xiàn)了靶表面電場與磁場對超熱電子發(fā)射和傳輸方向約束調制的自組織現(xiàn)象，實現(xiàn)了超熱電子沿靶面方向的定向發(fā)射，從物理上證實了快點火激光聚變的錐形靶方案中，錐形靶對超熱電子的聚焦作用，解決了長期困擾激光聚變研究界的錐靶實驗中的中子增強之謎，為深入理解和控制快點火激光核聚變過程作出了重要貢獻。這一研究成果也獲得了國家自然科學二等獎。
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- l" v* [4 P+ G' [% Q7 u9 P如今，張杰院士的研究團隊已經(jīng)發(fā)展成為在國際上有重要影響的協(xié)同創(chuàng)新中心，繼續(xù)在激光聚變和高能量密度物理研究領域探索著。

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可喜可賀的進步，呵呵。