宇宙中除暗物質、暗能量外，等離子態占總質量的99%。
地球附近一個(ge) 年僅(jin) 30歲的黑洞被錢德拉X射線望遠鏡發現。這個(ge) 黑洞是距離地球約5000萬(wan) 光年的M100星係中超新星“SN1979C”的餘(yu) 燼，正在吞噬這顆超新星和伴星落下的物質。
去年，NASA計劃發射衛星去研究太陽磁重聯現象。

等離子體(ti) 在當代社會(hui) 發揮了重大作用。

世界最大激光裝置——美國國家點火裝置內(nei) 部圖


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　　在實驗室裏“再造”太陽和小宇宙......

　　2015年11月11日 星期三

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　　2015/11/11

　　天下

　　在實驗室裏“再造”太陽和小宇宙（附照片）

　　　　上海交通大學校長、中國科學院院士、激光等離子體(ti) 物理學家。1999年，張傑由英國牛津大學回國組建研究團隊，經過十幾年的努力，這個(ge) 20多人的團隊已經成為(wei) 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。也正是鑒於(yu) 他的學術成就，張傑教授於(yu) 2003年當選為(wei) 中國科學院院士、2007年當選為(wei) 德國科學院院士、2008年當選為(wei) 第三世界科學院院士、2011年當選為(wei) 英國皇家工程科學院外籍院士、2012年當選為(wei) 美國科學院外籍院士。

　　了解宇宙的奧秘是人類長久以來的願望，我們(men) 現在所處的宇宙是如何形成的，我們(men) 所能夠觀測到的宇宙之外又是什麽(me) ？這一直是科學家乃至大眾(zhong) 的興(xing) 趣所在。人類探索宇宙奧秘的腳步從(cong) 來都沒有停止過。

　　要想追溯宇宙的過去，不得不了解宇宙中曾經發生過什麽(me) ，現在正在發生著什麽(me) 。

　　但是，宇宙中的天體(ti) 幾乎每一個(ge) 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(men) 現有的概念去度量。

　　而一些天體(ti) 物理現象，其演化時間的尺度也長到我們(men) 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，至今要麽(me) 隻有間接觀測到的證據，要麽(me) 就隻存在於(yu) 物理理論的預言中。

　　但，對宇宙的探索不僅(jin) 能解答我們(men) 從(cong) 哪裏來，又將往哪裏去這樣的終極問題。更意味著一種逐漸增加的可能性，那就是我們(men) 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(chan) 生機製又給人類帶來了終極能源的希望。用張傑的話來說：“宇宙和自然帶給我們(men) 無限的遐想，它的運行規律也給我們(men) 帶來了更多的思考空間。”

　　在實驗室裏再現宇宙中的天體(ti) 物理過程，並且以此來驗證現代物理理論預言，也一直是科學家們(men) 的夢想。就在不久前，張傑被美國核學會(hui) 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(ti) 物理研究上的重要貢獻。

　　超強激光技術的快速發展，使實驗室裏“再現”天體(ti) 物理過程成為(wei) 可能

　　在實驗室研究宇宙中各種物理過程，完善現有的物理理論體(ti) 係並據此做出新的預言，這一直是科學家們(men) 夢寐以求的願望。因為(wei) 包括大爆炸理論在內(nei) 的物理理論，有很多至今還隻存在於(yu) 理論預言之中，或者是遠距離觀測和物理模型演繹中。

　　近年來，強激光技術的快速發展，為(wei) 科學家們(men) 在強激光實驗室裏研究宇宙中的天體(ti) 物理過程，包括模擬超新星爆發或研究黑洞邊緣的高能量密度物理現象等極端天體(ti) 物理過程，提供了可能。

　　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(ti) 之後，人類的又一重大發明。

　　激光的特點是方向性強、相幹性高，因此激光可以將大量光子集中在一個(ge) 極小的空間範圍和時間長度內(nei) 發射。激光的亮度約為(wei) 太陽光的100億(yi) 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於(yu) 在一個(ge) 手指頭大小的麵積上放上10艘滿載的尼米茲(zi) 級航空母艦所產(chan) 生的壓強。在如此大壓強下的極端高能量密度的物質狀態，就與(yu) 一些極端天體(ti) 物理狀態類似。正是這樣的極端物理環境，為(wei) 科學家們(men) 在實驗室中對天體(ti) 物理進行主動、近距、可控的實驗研究提供了新方法，並由此產(chan) 生了一門新興(xing) 學科——強激光實驗室天體(ti) 物理學。

　　“如此極端的物理條件隻是近年來才開始能在實驗室中實現，並且逐漸為(wei) 天體(ti) 物理學家們(men) 所認可。”張傑的合作夥(huo) 伴、中科院物理所研究員李玉同在接受記者采訪時說：“自從(cong) 1960年第一台激光器發明以後，人們(men) 一直在追求更高的激光功率。1985年啁啾脈衝(chong) 放大技術的發明，將激光的峰值功率密度提高了一百萬(wan) 倍以上。這種超短超強激光技術的突破為(wei) 物理學前沿的發展提供了巨大機遇。而張傑早在上世紀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，並且取得了一係列重要突破。”

　　天體(ti) 物理與(yu) 激光等離子體(ti) 物理聯姻，強激光實驗室天體(ti) 物理學應運而生

　　目前天體(ti) 物理的研究方法一般分為(wei) 兩(liang) 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。

　　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展，使得人類對宇宙中天體(ti) 物理過程的觀測手段有了很大的完善。但是，對於(yu) 一些特殊的天體(ti) 物理過程，要麽(me) 由於(yu) 觀測資料匱乏，對其特性的研究僅(jin) 限於(yu) 推測；要麽(me) 由於(yu) 距離地球太遠，仍然不易觀測到；或者是由於(yu) 演化時間太長，在有限的時間內(nei) ，很難有比較全麵的認識。

　　強激光技術的快速發展為(wei) 實驗室天體(ti) 物理學的誕生提供了基礎。但是，實驗室天體(ti) 物理研究，最初並不為(wei) 傳(chuan) 統的天體(ti) 物理學家所認可。

　　“直到近幾年，利用強激光實驗室研究天體(ti) 物理過程取得了重要進展以後，才逐漸被天體(ti) 物理學家們(men) 所接受。”李玉同說，“而張傑教授與(yu) 國家天文台趙剛研究員所領導的聯合研究組，顯然在這個(ge) 過程中起了很大的推動作用。”

　　在天體(ti) 物理學家看來，大尺度的天體(ti) 物理過程如果要靠強激光實驗室裏的那些“小”裝置來研究，必須滿足嚴(yan) 格的標度變換關(guan) 係，即實驗室的天體(ti) 物理研究對象的參數經過標度變化後應與(yu) 大尺度的天體(ti) 物理過程的參數相似，以保證在實驗室裏進行的天體(ti) 物理過程與(yu) 大尺度的天體(ti) 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。

　　最關(guan) 鍵的是，隨著高能量強激光係統的投入使用，人們(men) 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(ti) 物理中諸多重要關(guan) 鍵問題，由此誕生的高能量密度實驗室天體(ti) 物理學（HEDLA）。

　　這一學科誕生之初就產(chan) 生了許多激動人心的探索結果——對行星內(nei) 部結構有重要意義(yi) 的物質狀態方程的認知，超新星爆發過程中的流體(ti) 動力學過程的理解，和對天文觀測發現的噴流現象的物理機製的發現等。

　　例如，太陽耀斑是離地球最近的天體(ti) 劇烈釋能現象之一，人們(men) 普遍認為(wei) 其形成的可能機製是太陽表麵磁場的重聯過程所造成的。這一認識的直接證據是在太陽耀斑中觀測到的環頂X射線源。但由於(yu) 天文觀測的局限性，對這一現象的解釋大多是定性和唯象的。

　　張傑與(yu) 趙剛的聯合研究組，利用我國的神光II強激光裝置的8路激光光束與(yu) 特殊構型靶相互作用，巧妙地“重現”了太陽表麵發生的重聯過程，對太陽耀斑中的環頂X射線源和重聯噴流進行了實驗研究。發現實驗結果與(yu) 理論模擬驚人地相似，他們(men) 還對傳(chuan) 統理論中的不足之處提出了挑戰。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(ti) 物理過程進行實驗模擬研究的可行性，為(wei) 天體(ti) 物理問題的研究提供了一個(ge) 新思路。除此之外，他們(men) 還在黑洞附近光電離過程、超新星爆發導致的無碰撞衝(chong) 擊波等重要天體(ti) 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(jia) 。

　　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(wei) 人類帶來終極能源，而出生在煤礦的孩子成為(wei) 了人造太陽工程的工作人員。在現實中，全球科學家們(men) 也一直夢想著能夠在實驗室裏實現太陽的聚變反應，以獲得取之不盡的清潔能源。張傑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。

　　激光聚變反應並非新概念，早在1962到1964年間，就由前蘇聯的巴索夫、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衝(chong) 激光來實現激光聚變。

　　（注：由愛因斯坦質能方程E=mc2

　　可知，物質具有的能量與(yu) 它的質量之間存在著簡單的正比關(guan) 係，並在一定條件下可以相互轉化，由於(yu) 轉化係數非常大(光速c的平方)，所以很小的質量損失便會(hui) 產(chan) 生巨大的能量。）

　　如果原子核反應後的總質量小於(yu) 反應前的總質量，則減小的質量將變為(wei) 能量釋放出來。核聚變反應就是將兩(liang) 個(ge) 比較輕的原子核聚合成一個(ge) 新的原子核，在聚變過程中消失的質量，直接轉變為(wei) 巨大的能量，這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倍。

　　“核聚變反應是我們(men) 人類永久性地解決(jue) 能源問題的終極選擇。”張傑在接受記者采訪時說，目前世界上大多數核電站都是采用核裂變反應，通過中子撞擊原子核，使之裂變為(wei) 兩(liang) 個(ge) 較輕的原子，從(cong) 而釋放出巨大的能量。

　　但，這一方式有放射性汙染的風險。核聚變反應則不同。張傑說：“核聚變反應在宇宙中是普遍的現象。在太陽和許多恒星內(nei) 部，溫度高達100萬(wan) 攝氏度以上，在那裏進行著劇烈的核聚變反應。太陽每秒中放出的能量約為(wei) 3.8×1026焦耳，到達地球的僅(jin) 約為(wei) 太陽每秒釋放能量的20億(yi) 分之一，但對人類卻意義(yi) 重大，因為(wei) 我們(men) 地球上目前使用的絕大多數能源均來源於(yu) 太陽。”

　　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生完全的聚變反應，能產(chan) 生相當於(yu) 300升汽油燃燒時釋放的能量。以此推算，根據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億(yi) 年，甚至數十億(yi) 年，因此，聚變能被看作人類的終極能源。

　　早在上個(ge) 世紀中葉，人類在地球上就已經實現了核聚變反應，比如，氫彈。但是這些核聚變反應都是瞬間發生的。隻有實現可控核聚變，使之能夠持續卻相對緩慢地發生聚變反應才能使核聚變能成為(wei) 人類的終極能源。因此實現受控核聚變反應，實現持續的能量淨輸出成為(wei) 科學界聚焦的重大科學問題。

　　激光聚變是實現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衝(chong) 能量對核聚變燃料靶丸加熱並迅速使靶丸中的燃料升溫電離，氘、氚形成等離子體(ti) ，在等離子體(ti) 中的高溫離子由於(yu) 自身慣性作用還來不及向四周飛散的極短時間內(nei) ，通過向心爆聚並壓縮到高溫、高密度狀態，從(cong) 而發生核聚變反應。

　　為(wei) 實現激光核聚變，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，於(yu) 1997年正式開始工程建設，2009年竣工，並在2010年開始了正式的點火實驗。用於(yu) 容納國家點火裝置的建築物長215米，寬120米，相當於(yu) 三個(ge) 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(jia) 高達70億(yi) 美元。

　　但是這一裝置的建成並非意味著激光聚變的實現。NIF至今都未能實現輸出功率大於(yu) 輸入功率。“在聚變時的輸出功率必須要大於(yu) 促使聚變發生的輸入功率，這才是有意義(yi) 的。”張傑告訴記者，“NIF已達工程極限，但由於(yu) 激光聚變物理過程的本征複雜性，點火遇到了極大的困難。最主要的原因是人類對激光與(yu) 等離子體(ti) 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成為(wei) 全世界科學家們(men) 的共同挑戰。而這也是張傑課題組近五年來研究的重要內(nei) 容。

　　用創新參與(yu) 國際競爭(zheng) ，揭開快點火激光聚變錐靶實驗的中子增強之謎

　　為(wei) 了實現氘氚核燃料的持續燃燒，模擬出太陽的聚變反應。在過去的幾十年中，人們(men) 先後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(ti) 的不穩定性，因此受到了世界範圍的廣泛關(guan) 注。

　　NIF的主要物理方案是中心點火方案，即利用高功率脈衝(chong) 激光光束均勻輻照微球氘氚靶丸，由靶麵物質的消融噴射產(chan) 生的反衝(chong) 力使氘氚燃料快速地被壓縮升溫至1億(yi) 攝氏度以上的極高溫和1000億(yi) 倍大氣壓的極高壓，從(cong) 而實現氘氚核燃料的持續燃燒。

　　由於(yu) 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複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麵有微小的不光滑，這種不穩定性就會(hui) 將壓縮過程中的任何不均勻指數放大，從(cong) 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麵的光滑度都有極高的要求。

　　快點火激光核聚變，則是通過將壓縮過程與(yu) 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不穩定性的密度，接著使用更高強度的整形皮秒激光脈衝(chong) 與(yu) 預先壓縮後的靶丸相互作用，產(chan) 生合適能量的高能電子束流，將能量快速傳(chuan) 輸並沉積在預壓後的靶丸內(nei) 部，使得靶丸的局部快速升溫，實現中子產(chan) 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。

　　如果用汽車發動機的工作原理來比喻，中心點火方案相當於(yu) 柴油發動機，在壓縮汽化燃料的同時實現升溫至自燃，這需要極大的能量輸入。而快點火方案則與(yu) 汽油發動機原理類似，將燃料壓縮到一定程度後，由火花塞點火。在快點火方案中，超強加熱激光脈衝(chong) 產(chan) 生的大量高能超熱電子，給預先壓縮至臨(lin) 界點的氘氚燃料快速加熱到聚變溫度，實現自持燃燒。

　　所以，在快點火物理方案的研究中，高能超熱電子的定向產(chan) 生和可控傳(chuan) 輸是快點火激光聚變成功的關(guan) 鍵。張傑與(yu) 上海交大盛政明教授帶領的研究團隊，經過6年多時間深入細致地對超強激光的偏振態、不同等離子體(ti) 密度、不同強度下激光吸收機製轉化關(guan) 係以及超熱電子發射方向對超強激光入射角度的依賴關(guan) 係等重要規律性的研究，發現了靶表麵電場與(yu) 磁場對超熱電子發射和傳(chuan) 輸方向約束調製的自組織現象，實現了超熱電子沿靶麵方向的定向發射，從(cong) 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(jue) 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(wei) 深入理解和控製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。

　　如今，張傑院士的研究團隊已經發展成為(wei) 在國際上有重要影響的協同創新中心，繼續在激光聚變和高能量密度物理研究領域探索著。