最近，上海交通大學(xué)校長(zhǎng)張杰當(dāng)選為美國(guó)國(guó)家科學(xué)院外籍院士，至此他已是“五院院士” “物理思維”照亮探索之路
本報(bào)首席記者 姜澎
宇宙中，恒星是如何演化的？黑洞是如何形成的？地球能夠擁有產(chǎn)生生命的條件，是機(jī)緣巧合，還是宇宙不斷演變的結(jié)果？……上海交通大學(xué)校長(zhǎng)、中國(guó)科學(xué)院院士張杰一直在研究這些課題。雖然2006年出任校長(zhǎng)以來，張杰把大部分時(shí)間和精力放在了帶領(lǐng)上海交大跨越式發(fā)展上，但他領(lǐng)銜的科研團(tuán)隊(duì)仍然不斷取得令人矚目的成果。
在物理學(xué)界，張杰因?yàn)樵诟吣芰棵芏任锢?、激光核聚變、X射線激光等研究領(lǐng)域的貢獻(xiàn)而聞名，這些都是人類探索宇宙的重要內(nèi)容。最近，張杰當(dāng)選為美國(guó)國(guó)家科學(xué)院外籍院士，至此他已是“五院院士”，另外4個(gè)院士榮銜是：中國(guó)科學(xué)院院士、德國(guó)科學(xué)院院士、英國(guó)皇家工程院外籍院士和第三世界科學(xué)院院士。
被好奇心推上物理研究之路
“離地球越遠(yuǎn)的地方，我們的了解和認(rèn)知越少。宇宙中95%以上空間處于高能量密度狀態(tài)，黑洞、反物質(zhì)和暗物質(zhì)等宇宙的未知部分都是這種狀態(tài)的物質(zhì)……”張杰說，宇宙之謎令人好奇，“我走上物理研究之路，正是因?yàn)閷?duì)自然的強(qiáng)烈好奇，而好奇，使我在大多數(shù)時(shí)候能夠敏銳判斷科研的方向。”張杰讀小學(xué)時(shí)，父親就帶著他搞小發(fā)明。“父親帶我做孵小雞的恒溫箱，還教我自制了一個(gè)小小的機(jī)關(guān)放在孵蛋器底盤的隔層中，這樣孵蛋器溫度過高時(shí)就能自動(dòng)通風(fēng)降溫，保持恒溫。后來我還和父親一起自制過鹽酸，家里的日光燈管、橡皮氣球等都是工具。”動(dòng)手實(shí)踐中，自然的奧妙展現(xiàn)在他面前，他對(duì)各種物理現(xiàn)象產(chǎn)生了濃厚興趣。
在中科院攻讀博士，張杰師從著名的激光物理學(xué)家王天眷和張道中教授。“激光可以說是上世紀(jì)最偉大的發(fā)現(xiàn)之一，也是幫助我們認(rèn)識(shí)宇宙的一個(gè)重要手段。我們往往通過觀測(cè)宇宙中各種射線以及光學(xué)現(xiàn)象來研究宇宙。”
1988年，張杰前往德國(guó)馬普學(xué)會(huì)量子光學(xué)所深造，后來又去了英國(guó)牛津大學(xué)盧瑟福實(shí)驗(yàn)室從事科研工作，“因?yàn)槟抢镉挟?dāng)時(shí)世界上最大的激光裝置”。就是在盧瑟福實(shí)驗(yàn)室，他做出了世界上最短波長(zhǎng)5.8納米波長(zhǎng)的X射線激光。
X射線激光對(duì)于生命科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)和材料科學(xué)等很多學(xué)科的創(chuàng)新研究有著十分重要的價(jià)值，而X射線的2.2納米到4.4納米波段，是所謂的“水窗”波段在這一波段，X射線的全息成像最清晰。多年來，科學(xué)家們?yōu)榱藢?shí)現(xiàn)“水窗”波段的飽和X射線激光輸出，做著不懈努力，但由于可見激光產(chǎn)生的高溫高密等離子體的條件十分復(fù)雜，加上在更短波長(zhǎng)上產(chǎn)生激光輻射的本征物理困難，飽和X射線激光的輸出一直徘徊在長(zhǎng)于15納米的波長(zhǎng)范圍。張杰領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)通過大幅度提高能量轉(zhuǎn)換效率和減少等離子體對(duì)X射線激光折射等方法，在14納米到5.8納米波長(zhǎng)范圍內(nèi)的多個(gè)波長(zhǎng)上成功實(shí)現(xiàn)了X射線激光的飽和輸出，解決了走向“水窗”的主要難題，在國(guó)際上產(chǎn)生了很大影響。
從事前沿科學(xué)研究需要耐心
“科研必須以問題為導(dǎo)向。一類是滿足人們了解宇宙萬(wàn)物的好奇心的基礎(chǔ)問題，還有一類是滿足國(guó)家和社會(huì)發(fā)展需要的應(yīng)用型問題。”張杰說，從事前沿科學(xué)研究尤其需要耐心和堅(jiān)持。
張杰自2000年起與合作者開始實(shí)驗(yàn)室天體物理研究，由于難度極大，直到2006年，經(jīng)歷過很多次失敗后，還是失敗。“此時(shí)有人動(dòng)搖了，雖然當(dāng)時(shí)我們課題組的成員都認(rèn)為這是值得堅(jiān)持的研究方向，但確實(shí)不能保證一定會(huì)做出什么成果。”他說，“研究在堅(jiān)持到第8年以后才開始取得進(jìn)展，獲得了一些重要成果，并且開辟了新的研究方向。”
過去，對(duì)天體和天文現(xiàn)象的研究，由于觀測(cè)資料匱乏，往往只能推測(cè)；即使能觀測(cè)，但由于有些天體距離地球太遠(yuǎn)，或者演化時(shí)間太長(zhǎng)，很難有全面認(rèn)識(shí)。隨著高能量激光系統(tǒng)投入使用，科學(xué)家已能在實(shí)驗(yàn)室里模擬宇宙中各種物理現(xiàn)象，從而深入研究其中的關(guān)鍵問題。比如對(duì)探尋行星內(nèi)部結(jié)構(gòu)有重要意義的物質(zhì)狀態(tài)方程研究，對(duì)超新星爆發(fā)過程中的流體力學(xué)研究，對(duì)天文觀測(cè)到的噴流現(xiàn)象的物理機(jī)制研究等。這就是上世紀(jì)末本世紀(jì)初剛剛興起的高能量密度實(shí)驗(yàn)室天體物理學(xué)。
張杰帶領(lǐng)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)在做這項(xiàng)研究。他們?cè)趯?shí)驗(yàn)室中制造出類似黑洞或者其他致密天體周邊的物理?xiàng)l件，對(duì)發(fā)生在黑洞周圍的光電離過程以及發(fā)出的X光輻射作了細(xì)致研究。這使得科學(xué)家們能在實(shí)驗(yàn)室里研究極端條件下各種可能的物理過程，為天文學(xué)家們解讀觀測(cè)到的X射線光譜提供了有力依據(jù)，也為與天體物理有關(guān)的電腦程序提供了一個(gè)驗(yàn)證平臺(tái)。
他的課題組參與了太陽(yáng)耀斑實(shí)驗(yàn)，隨后成功模擬出太陽(yáng)耀斑中環(huán)頂X射線源和重聯(lián)噴流，破解了太陽(yáng)耀斑的物理機(jī)制，改變了過去對(duì)太陽(yáng)耀斑現(xiàn)象的解釋只能定性和唯象的狀況，使人類對(duì)太陽(yáng)這個(gè)離我們最近的恒星有了新的了解。這一工作成果于2011年入選“中國(guó)科學(xué)十大進(jìn)展”。
以物理思維指導(dǎo)大學(xué)管理
“物理學(xué)科在本質(zhì)上是基于實(shí)驗(yàn)的研究，要從錯(cuò)綜復(fù)雜的現(xiàn)象中總結(jié)出規(guī)律，再用規(guī)律來指導(dǎo)實(shí)踐。多年的研究工作使物理思維成為我的一部分，這能幫助我更好地當(dāng)校長(zhǎng)；而擔(dān)任校長(zhǎng)的經(jīng)歷，又讓我看到了一個(gè)更寬廣的物理世界。”
他擔(dān)任上海交通大學(xué)校長(zhǎng)后實(shí)施科研管理改革，第一項(xiàng)措施是停止對(duì)發(fā)表論文的現(xiàn)金獎(jiǎng)勵(lì)。以問題為導(dǎo)向的研究激發(fā)了老師們對(duì)真正科學(xué)問題的興趣，對(duì)基礎(chǔ)學(xué)科的持續(xù)支持則促使學(xué)術(shù)水平不斷提升。全校SCI論文數(shù)量躍居全國(guó)第二，2010年發(fā)表在國(guó)際四大名刊上的論文數(shù)位列全國(guó)高校第一。交大的文科科研也突出問題導(dǎo)向、實(shí)證研究和國(guó)際化等三個(gè)特色，SSCI國(guó)際社科論文數(shù)量躋身全國(guó)三甲。全校進(jìn)入ESI學(xué)科排名全球前1%的學(xué)科數(shù)由5年前的6個(gè)增至目前的15個(gè)，排名全國(guó)高校第二。
2008年，季向東教授加入交大物理系，從事暗物質(zhì)研究。當(dāng)時(shí)他問張杰：“學(xué)校打算支持我們團(tuán)隊(duì)多少年？如果我們對(duì)暗物質(zhì)的探索在地下2500米深處的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了5年、10年，什么結(jié)果也沒有怎么辦？”張杰很肯定地告訴他：“即使5年、10年沒有任何結(jié)果，你們的探索依然是有價(jià)值的，至少你們向世界展示了中國(guó)人追求科學(xué)的精神非功利驅(qū)動(dòng)的科學(xué)研究。”經(jīng)過兩年多準(zhǔn)備，季向東課題組參與的大亞灣中微子震蕩實(shí)驗(yàn)已經(jīng)做出令世界矚目的成果，而暗物質(zhì)研究今年將進(jìn)入重要階段。
“5年多來，學(xué)校經(jīng)歷了從經(jīng)驗(yàn)管理到科學(xué)管理的轉(zhuǎn)變，并將開始探索文化管理。從2007到2010年，我的述職報(bào)告都是同一個(gè)題目，"建設(shè)一流大學(xué)的理念與實(shí)踐"，那時(shí)，我憑借對(duì)高等教育和對(duì)科學(xué)的理解來實(shí)踐大學(xué)管理；但從第5年開始，我的述職報(bào)告題目改成了"建設(shè)一流大學(xué)的實(shí)踐與理念"。”張杰告訴記者：“這好比物理研究從實(shí)踐到理論、再?gòu)睦碚摰綄?shí)踐的過程。”
本報(bào)首席記者 姜澎
宇宙中，恒星是如何演化的？黑洞是如何形成的？地球能夠擁有產(chǎn)生生命的條件，是機(jī)緣巧合，還是宇宙不斷演變的結(jié)果？……上海交通大學(xué)校長(zhǎng)、中國(guó)科學(xué)院院士張杰一直在研究這些課題。雖然2006年出任校長(zhǎng)以來，張杰把大部分時(shí)間和精力放在了帶領(lǐng)上海交大跨越式發(fā)展上，但他領(lǐng)銜的科研團(tuán)隊(duì)仍然不斷取得令人矚目的成果。
在物理學(xué)界，張杰因?yàn)樵诟吣芰棵芏任锢?、激光核聚變、X射線激光等研究領(lǐng)域的貢獻(xiàn)而聞名，這些都是人類探索宇宙的重要內(nèi)容。最近，張杰當(dāng)選為美國(guó)國(guó)家科學(xué)院外籍院士，至此他已是“五院院士”，另外4個(gè)院士榮銜是：中國(guó)科學(xué)院院士、德國(guó)科學(xué)院院士、英國(guó)皇家工程院外籍院士和第三世界科學(xué)院院士。
被好奇心推上物理研究之路
“離地球越遠(yuǎn)的地方，我們的了解和認(rèn)知越少。宇宙中95%以上空間處于高能量密度狀態(tài)，黑洞、反物質(zhì)和暗物質(zhì)等宇宙的未知部分都是這種狀態(tài)的物質(zhì)……”張杰說，宇宙之謎令人好奇，“我走上物理研究之路，正是因?yàn)閷?duì)自然的強(qiáng)烈好奇，而好奇，使我在大多數(shù)時(shí)候能夠敏銳判斷科研的方向。”張杰讀小學(xué)時(shí)，父親就帶著他搞小發(fā)明。“父親帶我做孵小雞的恒溫箱，還教我自制了一個(gè)小小的機(jī)關(guān)放在孵蛋器底盤的隔層中，這樣孵蛋器溫度過高時(shí)就能自動(dòng)通風(fēng)降溫，保持恒溫。后來我還和父親一起自制過鹽酸，家里的日光燈管、橡皮氣球等都是工具。”動(dòng)手實(shí)踐中，自然的奧妙展現(xiàn)在他面前，他對(duì)各種物理現(xiàn)象產(chǎn)生了濃厚興趣。
在中科院攻讀博士，張杰師從著名的激光物理學(xué)家王天眷和張道中教授。“激光可以說是上世紀(jì)最偉大的發(fā)現(xiàn)之一，也是幫助我們認(rèn)識(shí)宇宙的一個(gè)重要手段。我們往往通過觀測(cè)宇宙中各種射線以及光學(xué)現(xiàn)象來研究宇宙。”
1988年，張杰前往德國(guó)馬普學(xué)會(huì)量子光學(xué)所深造，后來又去了英國(guó)牛津大學(xué)盧瑟福實(shí)驗(yàn)室從事科研工作，“因?yàn)槟抢镉挟?dāng)時(shí)世界上最大的激光裝置”。就是在盧瑟福實(shí)驗(yàn)室，他做出了世界上最短波長(zhǎng)5.8納米波長(zhǎng)的X射線激光。
X射線激光對(duì)于生命科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)和材料科學(xué)等很多學(xué)科的創(chuàng)新研究有著十分重要的價(jià)值，而X射線的2.2納米到4.4納米波段，是所謂的“水窗”波段在這一波段，X射線的全息成像最清晰。多年來，科學(xué)家們?yōu)榱藢?shí)現(xiàn)“水窗”波段的飽和X射線激光輸出，做著不懈努力，但由于可見激光產(chǎn)生的高溫高密等離子體的條件十分復(fù)雜，加上在更短波長(zhǎng)上產(chǎn)生激光輻射的本征物理困難，飽和X射線激光的輸出一直徘徊在長(zhǎng)于15納米的波長(zhǎng)范圍。張杰領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)通過大幅度提高能量轉(zhuǎn)換效率和減少等離子體對(duì)X射線激光折射等方法，在14納米到5.8納米波長(zhǎng)范圍內(nèi)的多個(gè)波長(zhǎng)上成功實(shí)現(xiàn)了X射線激光的飽和輸出，解決了走向“水窗”的主要難題，在國(guó)際上產(chǎn)生了很大影響。
從事前沿科學(xué)研究需要耐心
“科研必須以問題為導(dǎo)向。一類是滿足人們了解宇宙萬(wàn)物的好奇心的基礎(chǔ)問題，還有一類是滿足國(guó)家和社會(huì)發(fā)展需要的應(yīng)用型問題。”張杰說，從事前沿科學(xué)研究尤其需要耐心和堅(jiān)持。
張杰自2000年起與合作者開始實(shí)驗(yàn)室天體物理研究，由于難度極大，直到2006年，經(jīng)歷過很多次失敗后，還是失敗。“此時(shí)有人動(dòng)搖了，雖然當(dāng)時(shí)我們課題組的成員都認(rèn)為這是值得堅(jiān)持的研究方向，但確實(shí)不能保證一定會(huì)做出什么成果。”他說，“研究在堅(jiān)持到第8年以后才開始取得進(jìn)展，獲得了一些重要成果，并且開辟了新的研究方向。”
過去，對(duì)天體和天文現(xiàn)象的研究，由于觀測(cè)資料匱乏，往往只能推測(cè)；即使能觀測(cè)，但由于有些天體距離地球太遠(yuǎn)，或者演化時(shí)間太長(zhǎng)，很難有全面認(rèn)識(shí)。隨著高能量激光系統(tǒng)投入使用，科學(xué)家已能在實(shí)驗(yàn)室里模擬宇宙中各種物理現(xiàn)象，從而深入研究其中的關(guān)鍵問題。比如對(duì)探尋行星內(nèi)部結(jié)構(gòu)有重要意義的物質(zhì)狀態(tài)方程研究，對(duì)超新星爆發(fā)過程中的流體力學(xué)研究，對(duì)天文觀測(cè)到的噴流現(xiàn)象的物理機(jī)制研究等。這就是上世紀(jì)末本世紀(jì)初剛剛興起的高能量密度實(shí)驗(yàn)室天體物理學(xué)。
張杰帶領(lǐng)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)在做這項(xiàng)研究。他們?cè)趯?shí)驗(yàn)室中制造出類似黑洞或者其他致密天體周邊的物理?xiàng)l件，對(duì)發(fā)生在黑洞周圍的光電離過程以及發(fā)出的X光輻射作了細(xì)致研究。這使得科學(xué)家們能在實(shí)驗(yàn)室里研究極端條件下各種可能的物理過程，為天文學(xué)家們解讀觀測(cè)到的X射線光譜提供了有力依據(jù)，也為與天體物理有關(guān)的電腦程序提供了一個(gè)驗(yàn)證平臺(tái)。
他的課題組參與了太陽(yáng)耀斑實(shí)驗(yàn)，隨后成功模擬出太陽(yáng)耀斑中環(huán)頂X射線源和重聯(lián)噴流，破解了太陽(yáng)耀斑的物理機(jī)制，改變了過去對(duì)太陽(yáng)耀斑現(xiàn)象的解釋只能定性和唯象的狀況，使人類對(duì)太陽(yáng)這個(gè)離我們最近的恒星有了新的了解。這一工作成果于2011年入選“中國(guó)科學(xué)十大進(jìn)展”。
以物理思維指導(dǎo)大學(xué)管理
“物理學(xué)科在本質(zhì)上是基于實(shí)驗(yàn)的研究，要從錯(cuò)綜復(fù)雜的現(xiàn)象中總結(jié)出規(guī)律，再用規(guī)律來指導(dǎo)實(shí)踐。多年的研究工作使物理思維成為我的一部分，這能幫助我更好地當(dāng)校長(zhǎng)；而擔(dān)任校長(zhǎng)的經(jīng)歷，又讓我看到了一個(gè)更寬廣的物理世界。”
他擔(dān)任上海交通大學(xué)校長(zhǎng)后實(shí)施科研管理改革，第一項(xiàng)措施是停止對(duì)發(fā)表論文的現(xiàn)金獎(jiǎng)勵(lì)。以問題為導(dǎo)向的研究激發(fā)了老師們對(duì)真正科學(xué)問題的興趣，對(duì)基礎(chǔ)學(xué)科的持續(xù)支持則促使學(xué)術(shù)水平不斷提升。全校SCI論文數(shù)量躍居全國(guó)第二，2010年發(fā)表在國(guó)際四大名刊上的論文數(shù)位列全國(guó)高校第一。交大的文科科研也突出問題導(dǎo)向、實(shí)證研究和國(guó)際化等三個(gè)特色，SSCI國(guó)際社科論文數(shù)量躋身全國(guó)三甲。全校進(jìn)入ESI學(xué)科排名全球前1%的學(xué)科數(shù)由5年前的6個(gè)增至目前的15個(gè)，排名全國(guó)高校第二。
2008年，季向東教授加入交大物理系，從事暗物質(zhì)研究。當(dāng)時(shí)他問張杰：“學(xué)校打算支持我們團(tuán)隊(duì)多少年？如果我們對(duì)暗物質(zhì)的探索在地下2500米深處的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了5年、10年，什么結(jié)果也沒有怎么辦？”張杰很肯定地告訴他：“即使5年、10年沒有任何結(jié)果，你們的探索依然是有價(jià)值的，至少你們向世界展示了中國(guó)人追求科學(xué)的精神非功利驅(qū)動(dòng)的科學(xué)研究。”經(jīng)過兩年多準(zhǔn)備，季向東課題組參與的大亞灣中微子震蕩實(shí)驗(yàn)已經(jīng)做出令世界矚目的成果，而暗物質(zhì)研究今年將進(jìn)入重要階段。
“5年多來，學(xué)校經(jīng)歷了從經(jīng)驗(yàn)管理到科學(xué)管理的轉(zhuǎn)變，并將開始探索文化管理。從2007到2010年，我的述職報(bào)告都是同一個(gè)題目，"建設(shè)一流大學(xué)的理念與實(shí)踐"，那時(shí)，我憑借對(duì)高等教育和對(duì)科學(xué)的理解來實(shí)踐大學(xué)管理；但從第5年開始，我的述職報(bào)告題目改成了"建設(shè)一流大學(xué)的實(shí)踐與理念"。”張杰告訴記者：“這好比物理研究從實(shí)踐到理論、再?gòu)睦碚摰綄?shí)踐的過程。”
