最近，上海交通大學校長張杰當選為美國國家科學院外籍院士，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？地球能夠擁有產生生命的條件，是機緣巧合，還是宇宙不斷演變的結果？……上海交通大學校長、中國科學院院士張杰一直在研究這些課題。雖然2006年出任校長以來，張杰把大部分時間和精力放在了帶領上海交大跨越式發展上，但他領銜的科研團隊仍然不斷取得令人矚目的成果。
在物理學界，張杰因為在高能量密度物理、激光核聚變、X射線激光等研究領域的貢獻而聞名，這些都是人類探索宇宙的重要內容。最近，張杰當選為美國國家科學院外籍院士，至此他已是“五院院士”，另外4個院士榮銜是：中國科學院院士、德國科學院院士、英國皇家工程院外籍院士和第三世界科學院院士。
被好奇心推上物理研究之路
“離地球越遠的地方，我們的了解和認知越少。宇宙中95%以上空間處于高能量密度狀態，黑洞、反物質和暗物質等宇宙的未知部分都是這種狀態的物質……”張杰說，宇宙之謎令人好奇，“我走上物理研究之路，正是因為對自然的強烈好奇，而好奇，使我在大多數時候能夠敏銳判斷科研的方向。”張杰讀小學時，父親就帶著他搞小發明。“父親帶我做孵小雞的恒溫箱，還教我自制了一個小小的機關放在孵蛋器底盤的隔層中，這樣孵蛋器溫度過高時就能自動通風降溫，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。”動手實踐中，自然的奧妙展現在他面前，他對各種物理現象產生了濃厚興趣。
在中科院攻讀博士，張杰師從著名的激光物理學家王天眷和張道中教授。“激光可以說是上世紀最偉大的發現之一，也是幫助我們認識宇宙的一個重要手段。我們往往通過觀測宇宙中各種射線以及光學現象來研究宇宙。”
1988年，張杰前往德國馬普學會量子光學所深造，后來又去了英國牛津大學盧瑟福實驗室從事科研工作，“因為那里有當時世界上最大的激光裝置”。就是在盧瑟福實驗室，他做出了世界上最短波長5.8納米波長的X射線激光。
X射線激光對于生命科學、生物醫學和材料科學等很多學科的創新研究有著十分重要的價值，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，科學家們為了實現“水窗”波段的飽和X射線激光輸出，做著不懈努力，但由于可見激光產生的高溫高密等離子體的條件十分復雜，加上在更短波長上產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于15納米的波長范圍。張杰領導的研究團隊通過大幅度提高能量轉換效率和減少等離子體對X射線激光折射等方法，在14納米到5.8納米波長范圍內的多個波長上成功實現了X射線激光的飽和輸出，解決了走向“水窗”的主要難題，在國際上產生了很大影響。
從事前沿科學研究需要耐心
“科研必須以問題為導向。一類是滿足人們了解宇宙萬物的好奇心的基礎問題，還有一類是滿足國家和社會發展需要的應用型問題。”張杰說，從事前沿科學研究尤其需要耐心和堅持。
張杰自2000年起與合作者開始實驗室天體物理研究，由于難度極大，直到2006年，經歷過很多次失敗后，還是失敗。“此時有人動搖了，雖然當時我們課題組的成員都認為這是值得堅持的研究方向，但確實不能保證一定會做出什么成果。”他說，“研究在堅持到第8年以后才開始取得進展，獲得了一些重要成果，并且開辟了新的研究方向。”
過去，對天體和天文現象的研究，由于觀測資料匱乏，往往只能推測；即使能觀測，但由于有些天體距離地球太遠，或者演化時間太長，很難有全面認識。隨著高能量激光系統投入使用，科學家已能在實驗室里模擬宇宙中各種物理現象，從而深入研究其中的關鍵問題。比如對探尋行星內部結構有重要意義的物質狀態方程研究，對超新星爆發過程中的流體力學研究，對天文觀測到的噴流現象的物理機制研究等。這就是上世紀末本世紀初剛剛興起的高能量密度實驗室天體物理學。
張杰帶領的一個團隊在做這項研究。他們在實驗室中制造出類似黑洞或者其他致密天體周邊的物理條件，對發生在黑洞周圍的光電離過程以及發出的X光輻射作了細致研究。這使得科學家們能在實驗室里研究極端條件下各種可能的物理過程，為天文學家們解讀觀測到的X射線光譜提供了有力依據，也為與天體物理有關的電腦程序提供了一個驗證平臺。
他的課題組參與了太陽耀斑實驗，隨后成功模擬出太陽耀斑中環頂X射線源和重聯噴流，破解了太陽耀斑的物理機制，改變了過去對太陽耀斑現象的解釋只能定性和唯象的狀況，使人類對太陽這個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“中國科學十大進展”。
以物理思維指導大學管理
“物理學科在本質上是基于實驗的研究，要從錯綜復雜的現象中總結出規律，再用規律來指導實踐。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校長；而擔任校長的經歷，又讓我看到了一個更寬廣的物理世界。”
他擔任上海交通大學校長后實施科研管理改革，第一項措施是停止對發表論文的現金獎勵。以問題為導向的研究激發了老師們對真正科學問題的興趣，對基礎學科的持續支持則促使學術水平不斷提升。全校SCI論文數量躍居全國第二，2010年發表在國際四大名刊上的論文數位列全國高校第一。交大的文科科研也突出問題導向、實證研究和國際化等三個特色，SSCI國際社科論文數量躋身全國三甲。全校進入ESI學科排名全球前1%的學科數由5年前的6個增至目前的15個，排名全國高校第二。
2008年，季向東教授加入交大物理系，從事暗物質研究。當時他問張杰：“學校打算支持我們團隊多少年？如果我們對暗物質的探索在地下2500米深處的實驗室進行了5年、10年，什么結果也沒有怎么辦？”張杰很肯定地告訴他：“即使5年、10年沒有任何結果，你們的探索依然是有價值的，至少你們向世界展示了中國人追求科學的精神非功利驅動的科學研究。”經過兩年多準備，季向東課題組參與的大亞灣中微子震蕩實驗已經做出令世界矚目的成果，而暗物質研究今年將進入重要階段。
“5年多來，學校經歷了從經驗管理到科學管理的轉變，并將開始探索文化管理。從2007到2010年，我的述職報告都是同一個題目，"建設一流大學的理念與實踐"，那時，我憑借對高等教育和對科學的理解來實踐大學管理；但從第5年開始，我的述職報告題目改成了"建設一流大學的實踐與理念"。”張杰告訴記者：“這好比物理研究從實踐到理論、再從理論到實踐的過程。”
本報首席記者 姜澎
宇宙中，恒星是如何演化的？黑洞是如何形成的？地球能夠擁有產生生命的條件，是機緣巧合，還是宇宙不斷演變的結果？……上海交通大學校長、中國科學院院士張杰一直在研究這些課題。雖然2006年出任校長以來，張杰把大部分時間和精力放在了帶領上海交大跨越式發展上，但他領銜的科研團隊仍然不斷取得令人矚目的成果。
在物理學界，張杰因為在高能量密度物理、激光核聚變、X射線激光等研究領域的貢獻而聞名，這些都是人類探索宇宙的重要內容。最近，張杰當選為美國國家科學院外籍院士，至此他已是“五院院士”，另外4個院士榮銜是：中國科學院院士、德國科學院院士、英國皇家工程院外籍院士和第三世界科學院院士。
被好奇心推上物理研究之路
“離地球越遠的地方，我們的了解和認知越少。宇宙中95%以上空間處于高能量密度狀態，黑洞、反物質和暗物質等宇宙的未知部分都是這種狀態的物質……”張杰說，宇宙之謎令人好奇，“我走上物理研究之路，正是因為對自然的強烈好奇，而好奇，使我在大多數時候能夠敏銳判斷科研的方向。”張杰讀小學時，父親就帶著他搞小發明。“父親帶我做孵小雞的恒溫箱，還教我自制了一個小小的機關放在孵蛋器底盤的隔層中，這樣孵蛋器溫度過高時就能自動通風降溫，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。”動手實踐中，自然的奧妙展現在他面前，他對各種物理現象產生了濃厚興趣。
在中科院攻讀博士，張杰師從著名的激光物理學家王天眷和張道中教授。“激光可以說是上世紀最偉大的發現之一，也是幫助我們認識宇宙的一個重要手段。我們往往通過觀測宇宙中各種射線以及光學現象來研究宇宙。”
1988年，張杰前往德國馬普學會量子光學所深造，后來又去了英國牛津大學盧瑟福實驗室從事科研工作，“因為那里有當時世界上最大的激光裝置”。就是在盧瑟福實驗室，他做出了世界上最短波長5.8納米波長的X射線激光。
X射線激光對于生命科學、生物醫學和材料科學等很多學科的創新研究有著十分重要的價值，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，科學家們為了實現“水窗”波段的飽和X射線激光輸出，做著不懈努力，但由于可見激光產生的高溫高密等離子體的條件十分復雜，加上在更短波長上產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于15納米的波長范圍。張杰領導的研究團隊通過大幅度提高能量轉換效率和減少等離子體對X射線激光折射等方法，在14納米到5.8納米波長范圍內的多個波長上成功實現了X射線激光的飽和輸出，解決了走向“水窗”的主要難題，在國際上產生了很大影響。
從事前沿科學研究需要耐心
“科研必須以問題為導向。一類是滿足人們了解宇宙萬物的好奇心的基礎問題，還有一類是滿足國家和社會發展需要的應用型問題。”張杰說，從事前沿科學研究尤其需要耐心和堅持。
張杰自2000年起與合作者開始實驗室天體物理研究，由于難度極大，直到2006年，經歷過很多次失敗后，還是失敗。“此時有人動搖了，雖然當時我們課題組的成員都認為這是值得堅持的研究方向，但確實不能保證一定會做出什么成果。”他說，“研究在堅持到第8年以后才開始取得進展，獲得了一些重要成果，并且開辟了新的研究方向。”
過去，對天體和天文現象的研究，由于觀測資料匱乏，往往只能推測；即使能觀測，但由于有些天體距離地球太遠，或者演化時間太長，很難有全面認識。隨著高能量激光系統投入使用，科學家已能在實驗室里模擬宇宙中各種物理現象，從而深入研究其中的關鍵問題。比如對探尋行星內部結構有重要意義的物質狀態方程研究，對超新星爆發過程中的流體力學研究，對天文觀測到的噴流現象的物理機制研究等。這就是上世紀末本世紀初剛剛興起的高能量密度實驗室天體物理學。
張杰帶領的一個團隊在做這項研究。他們在實驗室中制造出類似黑洞或者其他致密天體周邊的物理條件，對發生在黑洞周圍的光電離過程以及發出的X光輻射作了細致研究。這使得科學家們能在實驗室里研究極端條件下各種可能的物理過程，為天文學家們解讀觀測到的X射線光譜提供了有力依據，也為與天體物理有關的電腦程序提供了一個驗證平臺。
他的課題組參與了太陽耀斑實驗，隨后成功模擬出太陽耀斑中環頂X射線源和重聯噴流，破解了太陽耀斑的物理機制，改變了過去對太陽耀斑現象的解釋只能定性和唯象的狀況，使人類對太陽這個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“中國科學十大進展”。
以物理思維指導大學管理
“物理學科在本質上是基于實驗的研究，要從錯綜復雜的現象中總結出規律，再用規律來指導實踐。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校長；而擔任校長的經歷，又讓我看到了一個更寬廣的物理世界。”
他擔任上海交通大學校長后實施科研管理改革，第一項措施是停止對發表論文的現金獎勵。以問題為導向的研究激發了老師們對真正科學問題的興趣，對基礎學科的持續支持則促使學術水平不斷提升。全校SCI論文數量躍居全國第二，2010年發表在國際四大名刊上的論文數位列全國高校第一。交大的文科科研也突出問題導向、實證研究和國際化等三個特色，SSCI國際社科論文數量躋身全國三甲。全校進入ESI學科排名全球前1%的學科數由5年前的6個增至目前的15個，排名全國高校第二。
2008年，季向東教授加入交大物理系，從事暗物質研究。當時他問張杰：“學校打算支持我們團隊多少年？如果我們對暗物質的探索在地下2500米深處的實驗室進行了5年、10年，什么結果也沒有怎么辦？”張杰很肯定地告訴他：“即使5年、10年沒有任何結果，你們的探索依然是有價值的，至少你們向世界展示了中國人追求科學的精神非功利驅動的科學研究。”經過兩年多準備，季向東課題組參與的大亞灣中微子震蕩實驗已經做出令世界矚目的成果，而暗物質研究今年將進入重要階段。
“5年多來，學校經歷了從經驗管理到科學管理的轉變，并將開始探索文化管理。從2007到2010年，我的述職報告都是同一個題目，"建設一流大學的理念與實踐"，那時，我憑借對高等教育和對科學的理解來實踐大學管理；但從第5年開始，我的述職報告題目改成了"建設一流大學的實踐與理念"。”張杰告訴記者：“這好比物理研究從實踐到理論、再從理論到實踐的過程。”
