[文汇报]上海交大校长张杰院士在实验室里再造太阳和小宇宙

张杰          

上海交通大学校长、中国科学院院士、激光等离子体物理学家。1999年,张杰由英国牛津大学回国组建研究团队,经过十几年的努力,这个20多人的团队已经成为激光聚变和高能量密度物理研究领域国际领先的团队之一。也正是鉴于他的学术成就,张杰教授于2003年当选为中国科学院院士、2007年当选为德国科学院院士、2008年当选为第三世界科学院院士、2011年当选为英国皇家工程科学院外籍院士、2012年当选为美国科学院外籍院士。          

了解宇宙的奥秘是人类长久以来的愿望,我们现在所处的宇宙是如何形成的,我们所能够观测到的宇宙之外又是什么?这一直是科学家乃至大众的兴趣所在。人类探索宇宙奥秘的脚步从来都没有停止过。          

要想追溯宇宙的过去,不得不了解宇宙中曾经发生过什么,现在正在发生着什么。          

但是,宇宙中的天体几乎每一个词都意味着大尺度,其中的一些空间尺度甚至大到无法用我们现有的概念去度量。          

而一些天体物理现象,其演化时间的尺度也长到我们无法想象。因此不论是大爆炸理论,还是近年来国际学术界研究的热点问题,比如暗物质、反物质、超弦等,至今要么只有间接观测到的证据,要么就只存在于物理理论的预言中。          

但,对宇宙的探索不仅能解答我们从哪里来,又将往哪里去这样的终极问题。更意味着一种逐渐增加的可能性,那就是我们可以寻求在宇宙中拓展生存空间。而新世纪以来,太阳这类恒星的能量产生机制又给人类带来了终极能源的希望。用张杰的话来说:“宇宙和自然带给我们无限的遐想,它的运行规律也给我们带来了更多的思考空间。”          

在实验室里再现宇宙中的天体物理过程,并且以此来验证现代物理理论预言,也一直是科学家们的梦想。就在不久前,张杰被美国核学会授予激光聚变和高能量密度物理领域国际最高奖——爱德华·泰勒奖,以表彰他及他所带领的研究团队在快点火激光聚变研究和在强激光实验室天体物理研究上的重要贡献。       

宇宙中除暗物质、暗能量外,等离子态占总质量的99%。       

地球附近一个年仅30岁的黑洞被钱德拉X射线望远镜发现。这个黑洞是距离地球约5000万光年的M100星系中超新星“SN1979C”的余烬,正在吞噬这颗超新星和伴星落下的物质。       

去年,NASA计划发射卫星去研究太阳磁重联现象。       

等离子体在当代社会发挥了重大作用。       

世界最大激光装置——美国国家点火装置内部图          

超强激光技术的快速发展,使实验室里“再现”天体物理过程成为可能

在实验室研究宇宙中各种物理过程,完善现有的物理理论体系并据此做出新的预言,这一直是科学家们梦寐以求的愿望。因为包括大爆炸理论在内的物理理论,有很多至今还只存在于理论预言之中,或者是远距离观测和物理模型演绎中。          

近年来,强激光技术的快速发展,为科学家们在强激光实验室里研究宇宙中的天体物理过程,包括模拟超新星爆发或研究黑洞边缘的高能量密度物理现象等极端天体物理过程,提供了可能。          

激光是一种人造的光源,是20世纪以来,继原子能、计算机、半导体之后,人类的又一重大发明。          

激光的特点是方向性强、相干性高,因此激光可以将大量光子集中在一个极小的空间范围和时间长度内发射。激光的亮度约为太阳光的100亿倍。如果将强激光光束聚焦在靶材料上,焦点处的压强就相当于在一个手指头大小的面积上放上10艘满载的尼米兹级航空母舰所产生的压强。在如此大压强下的极端高能量密度的物质状态,就与一些极端天体物理状态类似。正是这样的极端物理环境,为科学家们在实验室中对天体物理进行主动、近距、可控的实验研究提供了新方法,并由此产生了一门新兴学科——强激光实验室天体物理学。          

“如此极端的物理条件只是近年来才开始能在实验室中实现,并且逐渐为天体物理学家们所认可。”张杰的合作伙伴、中科院物理所研究员李玉同在接受记者采访时说:“自从1960年第一台激光器发明以后,人们一直在追求更高的激光功率。1985年啁啾脉冲放大技术的发明,将激光的峰值功率密度提高了一百万倍以上。这种超短超强激光技术的突破为物理学前沿的发展提供了巨大机遇。而张杰早在上世纪90年代初在英国牛津大学工作时,就利用卢瑟福实验室刚升级改造过的超短超强激光装置研究高能量密度最前沿的物理问题,并且取得了一系列重要突破。”          

天体物理与激光等离子体物理联姻,强激光实验室天体物理学应运而生

目前天体物理的研究方法一般分为两类,一类是通过观测手段来研究,还有一类则是通过理论和模型来研究。          

上世纪90年代,哈勃望远镜入轨观测以及各种空间望远镜的发展,使得人类对宇宙中天体物理过程的观测手段有了很大的完善。但是,对于一些特殊的天体物理过程,要么由于观测资料匮乏,对其特性的研究仅限于推测;要么由于距离地球太远,仍然不易观测到;或者是由于演化时间太长,在有限的时间内,很难有比较全面的认识。          

强激光技术的快速发展为实验室天体物理学的诞生提供了基础。但是,实验室天体物理研究,最初并不为传统的天体物理学家所认可。          

“直到近几年,利用强激光实验室研究天体物理过程取得了重要进展以后,才逐渐被天体物理学家们所接受。”李玉同说,“而张杰教授与国家天文台赵刚研究员所领导的联合研究组,显然在这个过程中起了很大的推动作用。”          

在天体物理学家看来,大尺度的天体物理过程如果要靠强激光实验室里的那些“小”装置来研究,必须满足严格的标度变换关系,即实验室的天体物理研究对象的参数经过标度变化后应与大尺度的天体物理过程的参数相似,以保证在实验室里进行的天体物理过程与大尺度的天体物理过程遵守同样的物理方程。这就是科学认知的相似定律。          

最关键的是,随着高能量强激光系统的投入使用,人们能够在强激光实验室中获得前所未有的极端物理条件,深入细致地研究天体物理中诸多重要关键问题,由此诞生的高能量密度实验室天体物理学(HEDLA)。          

这一学科诞生之初就产生了许多激动人心的探索结果——对行星内部结构有重要意义的物质状态方程的认知,超新星爆发过程中的流体动力学过程的理解,和对天文观测发现的喷流现象的物理机制的发现等。          

例如,太阳耀斑是离地球最近的天体剧烈释能现象之一,人们普遍认为其形成的可能机制是太阳表面磁场的重联过程所造成的。这一认识的直接证据是在太阳耀斑中观测到的环顶X射线源。但由于天文观测的局限性,对这一现象的解释大多是定性和唯象的。          

张杰与赵刚的联合研究组,利用我国的神光II强激光装置的8路激光光束与特殊构型靶相互作用,巧妙地“重现”了太阳表面发生的重联过程,对太阳耀斑中的环顶X射线源和重联喷流进行了实验研究。发现实验结果与理论模拟惊人地相似,他们还对传统理论中的不足之处提出了挑战。这一重要成果也入选了2011年度中国科学十大进展。          

这项工作证明了在强激光实验室对天体物理过程进行实验模拟研究的可行性,为天体物理问题的研究提供了一个新思路。除此之外,他们还在黑洞附近光电离过程、超新星爆发导致的无碰撞冲击波等重要天体物理前沿问题的研究中,取得了多项重要突破,受到国际同行的高度评价。          

在实验室模拟太阳聚变反应,寻找人类终极能源

在科幻作家刘慈欣的短篇小说《中国太阳》中,科学家通过人造太阳为人类带来终极能源,而出生在煤矿的孩子成为了人造太阳工程的工作人员。在现实中,全球科学家们也一直梦想着能够在实验室里实现太阳的聚变反应,以获得取之不尽的清洁能源。张杰团队研究的快点火激光聚变物理过程的终极目标就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。          

激光聚变反应并非新概念,早在1962到1964年间,就由前苏联的巴索夫、美国的J.M.Dawson和我国的王淦昌等分别独立提出用高功率脉冲激光来实现激光聚变。          

(注:由爱因斯坦质能方程E=mc2可知,物质具有的能量与它的质量之间存在着简单的正比关系,并在一定条件下可以相互转化,由于转化系数非常大(光速c的平方),所以很小的质量损失便会产生巨大的能量。)          

如果原子核反应后的总质量小于反应前的总质量,则减小的质量将变为能量释放出来。核聚变反应就是将两个比较轻的原子核聚合成一个新的原子核,在聚变过程中消失的质量,直接转变为巨大的能量,这是目前效率最高的核反应,是铀235裂变反应所释放能量的数倍。          

“核聚变反应是我们人类永久性地解决能源问题的终极选择。”张杰在接受记者采访时说,目前世界上大多数核电站都是采用核裂变反应,通过中子撞击原子核,使之裂变为两个较轻的原子,从而释放出巨大的能量。          

但,这一方式有放射性污染的风险。核聚变反应则不同。张杰说:“核聚变反应在宇宙中是普遍的现象。在太阳和许多恒星内部,温度高达100万摄氏度以上,在那里进行着剧烈的核聚变反应。太阳每秒中放出的能量约为3.8×1026焦耳,到达地球的仅约为太阳每秒释放能量的20亿分之一,但对人类却意义重大,因为我们地球上目前使用的绝大多数能源均来源于太阳。”          

地球上的海水中富含核聚变燃料氘和氚,如果每升海水中所蕴含的氘和氚发生完全的聚变反应,能产生相当于300升汽油燃烧时释放的能量。以此推算,根据目前世界能源消耗水平和海水存量,聚变能可供人类使用数亿年,甚至数十亿年,因此,聚变能被看作人类的终极能源。          

早在上个世纪中叶,人类在地球上就已经实现了核聚变反应,比如,氢弹。但是这些核聚变反应都是瞬间发生的。只有实现可控核聚变,使之能够持续却相对缓慢地发生聚变反应才能使核聚变能成为人类的终极能源。因此实现受控核聚变反应,实现持续的能量净输出成为科学界聚焦的重大科学问题。          

激光聚变是实现受控核聚变的主要途径之一。即,利用激光驱动器提供的巨大脉冲能量对核聚变燃料靶丸加热并迅速使靶丸中的燃料升温电离,氘、氚形成等离子体,在等离子体中的高温离子由于自身惯性作用还来不及向四周飞散的极短时间内,通过向心爆聚并压缩到高温、高密度状态,从而发生核聚变反应。          

为实现激光核聚变,美国在加州的利弗莫尔国家实验室建成了国家点火装置(National Ignition Facility,简称NIF)。NIF自1994年启动,于1997年正式开始工程建设,2009年竣工,并在2010年开始了正式的点火实验。用于容纳国家点火装置的建筑物长215米,宽120米,相当于三个足球场,是目前世界上最大的激光聚变实验装置。有估算称,国家点火装置总造价高达70亿美元。          

但是这一装置的建成并非意味着激光聚变的实现。NIF至今都未能实现输出功率大于输入功率。“在聚变时的输出功率必须要大于促使聚变发生的输入功率,这才是有意义的。”张杰告诉记者,“NIF已达工程极限,但由于激光聚变物理过程的本征复杂性,点火遇到了极大的困难。最主要的原因是人类对激光与等离子体相互作用中电磁场快速变化所造成的各种时空非线性物理过程还缺乏深入的理解。”目前激光聚变研究所遇到的困难已经成为全世界科学家们的共同挑战。而这也是张杰课题组近五年来研究的重要内容。          

用创新参与国际竞争,揭开快点火激光聚变锥靶实验的中子增强之谜

为了实现氘氚核燃料的持续燃烧,模拟出太阳的聚变反应。在过去的几十年中,人们先后提出了中心点火激光聚变和快点火激光聚变等物理方案。          

其中快点火激光聚变方案有望大幅降低驱动激光的能量和激光等离子体的不稳定性,因此受到了世界范围的广泛关注。          

NIF的主要物理方案是中心点火方案,即利用高功率脉冲激光光束均匀辐照微球氘氚靶丸,由靶面物质的消融喷射产生的反冲力使氘氚燃料快速地被压缩升温至1亿摄氏度以上的极高温和1000亿倍大气压的极高压,从而实现氘氚核燃料的持续燃烧。          

由于在中心点火方案中,同时进行的压缩过程和点火过程涉及到极其复杂的非线性物理过程。如果激光的焦斑有微小的不均匀或者氘氚靶丸的表面有微小的不光滑,这种不稳定性就会将压缩过程中的任何不均匀指数放大,从而造成压缩的失败。因此,中心点火方案对激光辐照的球对称性和均匀性以及靶丸表面的光滑度都有极高的要求。          

快点火激光核聚变,则是通过将压缩过程与点火过程的分离,大幅度降低了对激光驱动器的要求,提高了激光聚变的点火效率。简言之,即通过高能量纳秒激光来压缩氘氚燃料到尚不足以引发不稳定性的密度,接着使用更高强度的整形皮秒激光脉冲与预先压缩后的靶丸相互作用,产生合适能量的高能电子束流,将能量快速传输并沉积在预压后的靶丸内部,使得靶丸的局部快速升温,实现中子产额的明显增加和自持燃烧,通过这样的方式提高点火的效率。          

如果用汽车发动机的工作原理来比喻,中心点火方案相当于柴油发动机,在压缩汽化燃料的同时实现升温至自燃,这需要极大的能量输入。而快点火方案则与汽油发动机原理类似,将燃料压缩到一定程度后,由火花塞点火。在快点火方案中,超强加热激光脉冲产生的大量高能超热电子,给预先压缩至临界点的氘氚燃料快速加热到聚变温度,实现自持燃烧。          

所以,在快点火物理方案的研究中,高能超热电子的定向产生和可控传输是快点火激光聚变成功的关键。张杰与上海交大盛政明教授带领的研究团队,经过6年多时间深入细致地对超强激光的偏振态、不同等离子体密度、不同强度下激光吸收机制转化关系以及超热电子发射方向对超强激光入射角度的依赖关系等重要规律性的研究,发现了靶表面电场与磁场对超热电子发射和传输方向约束调制的自组织现象,实现了超热电子沿靶面方向的定向发射,从物理上证实了快点火激光聚变的锥形靶方案中,锥形靶对超热电子的聚焦作用,解决了长期困扰激光聚变研究界的锥靶实验中的中子增强之谜,为深入理解和控制快点火激光核聚变过程作出了重要贡献。这一研究成果也获得了国家自然科学二等奖。          

如今,张杰院士的研究团队已经发展成为在国际上有重要影响的协同创新中心,继续在激光聚变和高能量密度物理研究领域探索着。