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李儒新:领跑世界之光

作者:陈卓君

2018/6/26 16:00:43

  李儒新:光学专家,中国科学院院士,中国科学院上海光学精密机械研究所所长、中国科学院上海高等研究院副院长。

  阳春三月,位于张江的中科院上海光机所和上海科技大学超强激光光源联合实验室簇拥在丛丛新绿中。在这间启用不久、相对“简陋”的办公室,我们见到了和蔼亲切的李儒新院士。深色的休闲西装,搭配灰色格子衬衫,利落的板寸发型,这位49岁的新晋院士给人的感觉年轻又没有架子。

  李儒新的年轻或许是缘于年轻的心态。在大学时,他喜欢足球,时常和同学们在天津大学求实会堂前的广场上踢踢球。在光机所的元旦晚会上,身为所长的他还会来一曲“酒干倘卖无”助助兴。我问他,唱歌和踢球是平时的兴趣爱好吗?此时,他那标志性的微笑再次挂在脸上:“哪有‘爱好’的时间,工作也许是我最大、也是唯一的爱好吧。”

  2017年11月,李儒新当选为中国科学院院士,在强激光科学技术领域,他已经深耕了20多年了。他开玩笑说自己是一个“懒人”,不喜欢跳来跳去,认准了一个领域,就一直做下去。“科研很有乐趣,每天都会获得新的东西。如果能在自己的研究领域里,尝试回答一些人类的终极梦想,就更感觉自己没白活。”

  上海“光”速:从追赶到领跑

  张江联合实验室的一楼大厅,毛主席的一句话:“死光(指激光),要组织一批人专门去研究它。要有一小批人吃了饭不做别的事,专门研究它。”占据了背景墙的显要位置。这是1963年12月16日,毛主席在听取国务院副总理兼国家科学技术委员会主任聂荣臻汇报十年科学技术规划时提出的。一年后,为了在激光发射的新兴领域迅速赶上国际水平,中国科学院决定将长春光机所和北京电子所从事受激光及微波发射研究的有关力量集中,在上海嘉定成立中国科学院光学精密机械研究所上海分所,即现在的上海光机所。半个多世纪以来,在干福熹院士、王之江院士、徐至展院士、邓锡铭院士、范滇元院士、王育竹院士等一批杰出专家学者的带领下,这里成为了我国规模最大的激光专业研究所,先后走出过10位中国科学院院士和中国工程院院士。

  李儒新介绍,毛主席这句话体现了一代领袖对于科技发展的战略眼光和博大胸襟,其实后面还有一句――没有成绩不要紧。李儒新说:“但是我们要求自己不能不出成绩!”

  从上世纪90年代初攻读博士学位开始,在导师徐至展院士带领下,李儒新一直从事“超强超短激光”的产生及其应用研究。“超强超短激光”是指超高峰值功率超短脉冲激光。

  峰值功率达到拍瓦级、脉冲宽度达到飞秒级的超强超短激光是目前已知的人类最亮光源。利用这种激光可以产生极高电磁场和极高能量密度的物理状态,自然界中只有在核爆中心、恒星内部及黑洞边缘等环境下才能找到类似的物理状态。通过在实验室用人工手段产生这些极端的物理状态,人们就可以研究宇宙起源和天体物理相关的科学问题。

  “更快更高更强”这句标语如果用在各国科学家的实验室里,那往往是国力的体现。我国激光科学技术领域的起步并不晚,第一台激光器于1961年在长春诞生,只比美国晚一年左右。随后我国激光科学技术事业取得快速发展,很多方面都处于世界先进水平,在某些方向上还处于国际领先水平。

  1998年,美国劳伦斯利福摩尔国家实验室建立了世界上首台拍瓦激光装置,率先将激光脉冲的峰值功率领进了“拍瓦”级别,实现了1.5拍瓦的峰值功率输出,激光脉冲时间宽度为皮秒级。当然,“全球第一”的名号不是那么容易保持的。十多年来,各国顶尖实验室都在全力以赴,力图打破纪录,占领“拍瓦激光”的高地。日本、中国、法国、英国、德国、韩国、俄罗斯和西班牙都先后建成了他们自己的拍瓦激光装置,陆续成功地产生了拍瓦级激光束。

  上海光机所2004年就实现了0.1拍瓦级的飞秒激光脉冲输出,2007年研制成功我国首台拍瓦激光装置,实现当时国际最高峰值功率(0.89拍瓦)的飞秒激光脉冲输出。2013年又实现当时最高峰值功率(2拍瓦)的飞秒激光脉冲输出,第一次在激光脉冲峰值功率上打破了美国人维持了近15年的前世界纪录(1.5拍瓦)。我国在拍瓦激光研究领域逐步实现了从追赶到并跑。

  随后,2015年日本大阪大学的研究人员研制出了峰值功率达到2拍瓦、激光脉冲时间宽度为1皮秒的激光装置。 2016年,上海光机所团队实现了5拍瓦激光脉冲输出,再次刷新激光脉冲峰值功率的世界纪录。2017年10月24日在上海张江,10拍瓦激光放大输出在国际上首次实现,按计划这个激光装置将在2018年底全面建成投入使用。与此同时,输出峰值功率高达100拍瓦的上海硬X射线自由电子激光装置极端光物理线站,2017年底,获得国家批准立项。上海的超强超短激光开始领跑。

  探索宇宙起源的最强光

  现代宇宙学的一个重要理论是宇宙诞生于大爆炸,但大爆炸的缘起仍然是一个谜团。科学家们认为,在大爆炸的初期,物质与反物质几乎是对称存在的。但是,为什么自然界中充满肉眼可见的普通正物质,但却看不到反物质呢?大爆炸产生的反物质到哪里去了?这也是现代物理学研究的基本问题之一。

  按照上述理论假设,大爆炸是从真空开始的。真空是什么?一般意义上的真空指没有任何实物粒子存在的空间。按照量子力学理论,物理上的真空实际上是一片不停波动的能量之海。当能量达到波峰,能量转化为一对对正反基本粒子,当能量达到波谷,一对对正反基本粒子又相互湮灭,转化为能量。1930年代,量子电动力学的奠基人之一、德国物理学家海森堡提出了著名的“真空双折射”理论预言。按照海森堡提出的说法,如果给真空加一个很强的磁场,真空就会极化,变成各向异性,当一束光穿过就会发生双折射,即不同方向光的传播速度不同。就像我们去电影院看立体电影所佩戴的眼镜,是利用塑料镜片的双折射效应。真空双折射是真空的量子电动力学效应的重要现象。但是,诱导真空双折射所需的磁场强度很强,八十多年过去了,还没有任何实验能够证实海森堡的理论预言。现在机会来了,利用100拍瓦级的超强超短激光就可望实现这一目标。

  “这就是我们研究的重要科学目标之一,我们期待用人类已知的最强光去探索宇宙起源的奥秘。”李儒新无限向往地回答。

  我国迄今为止投资最大的重大科技基础设施项目――高重复率硬X射线自由电子激光装置(XFEL)项目已获批启动。这个于今年4月27日在浦东罗山路立交附近开工的大科学装置项目,预计2024年建成。100拍瓦激光就是这个大科学装置项目的组成部分。

  “XFEL装置和100拍瓦激光的组合是把X射线波段和近红外波段的两种最强光源巧妙配合起来,强强联手。100拍瓦激光负责诱导出真空极化和双折射,XFEL负责测量双折射。这一研究或将揭秘真空的物理本质,有助于理解宇宙起源之说。”

  从目前的10拍瓦到2024年的100拍瓦,科学技术挑战巨大,离不开国家和上海市的大力支持。对此,李儒新感慨道,我们在拍瓦激光研究方面能够实现领跑,得益于上海创建具有全球影响力的科创中心的大环境。“我们将激光装置建好之后,就是希望未来有越来越多的科学家们能够利用它取得重大的科学发现,探索未知,造福于全人类。”

  “敢于好高骛远,善于实事求是”

  李儒新出生于福建文化名城建瓯。这座古城始建于东汉,有1800多年历史,曾经走出过1000多位进士、6位状元。李儒新中学就读于百年老校建瓯一中,从那时起就对物理学产生了浓厚的兴趣。

  “敢于好高骛远,善于实事求是”是中学时李儒新用来激励自己的一句话,这句话后来还被写入了高中试题中。这句话源于中科院院士、我国现代物理和光学研究奠基人之一严济慈的名言,李儒新读到后很喜欢,便将这句话贴在墙上,拿来激励自己。“当时我父亲看到了还批评我,怎么能好高骛远呢。”但是李儒新一直认为“心中一定要高目标、大目标”,他说,“如果定100分的目标,努力后可能能得90分,如果定60分的目标,最后可能也就是五十几分。”随着他在科研道路上越走越远,他越觉得这句话包含了最质朴的科研精神。

  在瑞典留学期间,李儒新与我国两弹一星元勋、著名理论物理学家周光召院士有过一面之缘。当时,他正在瑞典历史最悠久的乌普萨拉大学做博士后。周院士到瑞典访问,与中国留学生座谈。周院士就讲:“取法于上,仅得为中,取法于中,故为其下。”两位大家的话语一脉相承,令李儒新深受其用,成为他从事科学研究一直坚守的准则。

  那道高中试题,还将李儒新回国的事迹出成了题干――“放弃国外高薪待遇回国的李儒新现在是中科院上海光机所副所长,获国家多项科技奖……”对此,李儒新连忙笑着否认,谈不上“放弃高薪待遇”。“当时出国比较早,国外科研、生活各方面条件确实比国内好好多,但是回国工作、报效祖国是理所当然。”他半开玩笑地说,“大概还有一个原因,是我骨子里怀念中国菜的味道吧。”

  1996年,李儒新博士毕业后赴瑞典乌普萨拉大学做博士后,合作导师是瑞典人凯・西格巴恩,1981年获诺贝尔物理学奖;他的父亲卡尔・西格巴恩,1924年也获过诺贝尔物理学奖,父子两人都是X射线光谱学研究的大牛。“跟着这位导师,我还见过几次瑞典国王。”回想起北欧的留学时光,李儒新“吐槽”道:“科研条件很好,就是菜特别难吃。除了胡萝卜就是洋葱,基本上没有绿叶菜。”当时在瑞典留学的中国人比较少,偶尔在中国商店买点调料、绿叶菜,就算是一解乡愁了。

  结束了在瑞典的留学生活,1997年7月,他来到了日本东京大学做博士后。回到亚洲,生活又回到了熟悉的味道,李儒新签下2年合同,开始在东大投入X射线激光的研究工作。不到半年,他获悉上海光机所正在通过中科院“百人计划”引进国外优秀人才。他立即提出申请并回国参加面试,如愿通过了评审。所里希望他尽快回国上岗。这时的他有些踌躇,为期两年的工作合约才签了不久、他不知如何跟日方合作导师开口。反而他的导师给了他极大的理解和支持,导师说:“当年我在美国留学时也是这样想的,一旦日本有好的工作机会,我也会毫不犹豫地回去。”

  1998年7月,李儒新回到了上海光机所工作至今。近二十年来,他在超强超短激光及其前沿应用方面取得了一些重要研究成果,作为主要完成人之一,曾获国家科技进步奖一等奖、国家自然科学奖二等奖等。2014年12月,美国光学学会会士(OSA Fellow)发布2015年度新当选名单,李儒新与全球75名“对光学的进展作出重大贡献”的学者一起当选美国光学学会会士。当时,在这个拥有百年历史的世界光学领域权威的国际性学术组织里,拥有此殊荣的中国科学家只有18位。

  “激”发无限可能

  在李儒新“好高骛远”的目标里,除了探究宇宙的起源问题,他还试图有一天帮助实现著名物理学家霍金提出的梦想:发射小型太空飞船抵达半人马座α星。他说,利用激光可以生产反物质,而反物质与普通物质湮没时能释放出的巨大能量,可望解决宇宙飞船的燃料问题,虽然这一想法离开实现还很遥远,但从理论上,这种比核能的效率高好几个数量级的能量产生方式,有望帮助飞船飞往任何星球。

  采访的最后,李儒新又提到了另一个令人神往的目标:“2017年的诺贝尔物理学奖颁给了引力波的观测。这些被观察到引力波是距离我们亿万光年外的黑洞或者中子星聚合时产生的。利用超强超短激光,未来可能人工产生引力波。”

  “那是否可以向亿万光年外的‘外星人’发送信号了?”

  “如果‘外星人’也掌握了引力波探测技术,也许可以。”李儒新笑着说。

  “会得诺贝尔奖么?”我开玩笑地问。

  “诺贝尔奖,对于科学研究来说,是标杆,但不是目的。”他说道,“爱因斯坦、杨振宁,他们得诺奖的原因都不是他们一生最伟大的那个发现。一项技术只有不断向前推进,才能知道它能给人类带来什么改变。”说到这里,李儒新“实事求是”的一面展露无余。