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科技动态

世界最新科技发展态势,来看看白春礼院士怎么说!

时间:2021/2/19 15:47:48  作者:未知  来源:--转载 中国人大网  查看:14  评论:0

近代科学诞生以来,已经发生了5次科技革命,对人类社会的发展进程产生了深远的、革命性的影响,从根本上改变了全球政治经济格局。当前,面对百年未有之大变局,科技创新已成为影响和改变世界经济版图的关键变量。在新一轮科技革命和产业变革的重大历史机遇期,谁抓住了这一战略机遇,就能站在世界发展的潮头,将发展主动权掌握在自己手里。

习近平总书记在今年911日的科学家座谈会上要求我们,不断向科学技术广度和深度进军。科学技术的广度和深度,深刻揭示了世界科技前沿不断向宏观拓展、向微观深入的趋势和特征。爱因斯坦也曾预言:未来科学的发展,无非是继续向宏观世界和微观世界进军。

宏观世界大至天体运行、星系演化、宇宙起源,微观世界小至基因编辑、粒子结构、量子调控,都是当前世界科技发展的最前沿,而宏观和微观世界的科学研究成果,又会深刻影响和有力推动事关人类生存与发展的科技进步。

我的报告重点从宏观、微观、中观三个层面,介绍当前最新科技前沿和发展态势。

 

一、向宏观拓展:追寻宇宙起源演化的脚步

 

探究宇宙的本质,既是一个古老的话题,又是当代科技的重要前沿。早在2000多年前,伟大诗人屈原就曾在《天问》中对宇宙发出疑问:天何所沓?十二焉分?日月安属?列星安陈?直到文艺复兴时期发明了望远镜,人类才逐步打开了科学认识、深入研究宇宙的大门。射电望远镜的出现,让人类观测宇宙的尺度拓展到150亿光年左右的时空区域。随着观测手段日益丰富和技术不断提高,对宇宙的研究也从定性描述发展到了精确时代,可以对宇宙物质组分的演化分布进行更精确的计算和分析。

当前,宏观宇宙学的研究焦点主要是两暗一黑三起源,其中两暗是指暗物质、暗能量;一黑是指黑洞;三起源是指宇宙起源、天体起源和宇宙生命起源。这些方面一旦取得重大突破,就将使人类对宇宙的认识实现重大飞跃,可能引发新的物理学革命。

(一)暗物质暗能量研究成为各国关注焦点

20世纪20年代,美国科学家哈勃发现了红移现象,说明宇宙正在膨胀。之后,又进一步发现宇宙在加速膨胀。引起宇宙加速膨胀的主要原因,主流观点认为,在宇宙可观测到的物质之外,还存在暗物质、暗能量。宇宙中可见物质仅占4.9%,而暗物质占到26.8%,暗能量占到68.3%。暗物质不发光,不发出电磁波,从来没有被直接到过。暗物质和暗能量,被称为是21世纪物理学的两朵新乌云,成为当前研究的热点,世界科技大国都在积极布局开展这方面的研究和探测。

探测暗物质的方式主要分为三类:一是对撞机探测,如欧洲核子中心的大型强子对撞机;二是在地下进行的直接探测,如我国在四川锦屏山地下实验室中正在开展的相关实验;三是间接探测,主要在外层空间进行,通过收集和分析高能宇宙射线粒子和伽马射线光子寻找暗物质存在的证据。2008年美国发射了费米太空望远镜,探测暗物质就是其重要任务之一。2011年,美国奋进号航天飞机最后一次飞行任务,专门为国际空间站运送阿尔法磁谱仪,主要任务也是探测暗物质、反物质和宇宙射线。

2015年,中科院成功研制发射了悟空号暗物质粒子探测卫星,搭载了目前国际上最高分辨、最低本底的空间高能粒子望远镜,比阿尔法磁谱仪和费米太空望远镜观测能量上限高10倍。目前悟空号已经服役5年,获得了国际上精度最高的电子宇宙射线探测结果,发现能谱上存在一处新的结构可能与暗物质有关,一旦被后续数据确认,将是天体物理领域的突破性发现。今年,由中科院科研人员参与的国际上最大规模的星系巡天项目――深场重子声波振荡光谱巡天(eBOSS),成功测量了宇宙背景膨胀及结构增长率,这也是迄今为止依托星系巡天得到的最强暗能量观测证据。

二)黑洞研究打开宇宙和天体起源的新视野

黑洞是密度极大体积极小的天体,具有强大的引力,连光都无法逃脱。1964年,人类用观测方法发现了第一颗恒星级黑洞1。之后,科学家又陆续发现了更多的黑洞。2015年,由中国科学家领衔的国际研究小组宣布,发现了一个距地球128亿光年、质量为太阳120亿倍的超大质量黑洞,这是已知最大质量的黑洞。  

20194月,分布在全球8个不同地区的射电望远镜组成的观测阵列网络,经过近2年观测和后期海量数据(603138)分析处理,全球六地同步直播发布了距离地球5500万光年、质量为太阳65亿倍黑洞的照片,这是人类首次看到黑洞的面貌,引起社会广泛关注,我国天文学家也参与这项研究和观测工作。  

201911月,中科院国家天文台研究团队依托我国自主研制的郭守敬望远镜(LAMOST),发现了一个迄今为止质量最大的恒星级黑洞,并提供了一种利用LAMOST巡天优势寻找黑洞的新方法。  

对黑洞的形成、性质、结构及其演化规律进行研究,对于更深入认识宇宙的演化具有重要的意义。国际上很多重要的天文设施,如美国激光干涉引力波天文台(LIGO)、意大利室女座Virgo)引力波天文台等,都把探测研究黑洞作为一项重要任务。今年的诺贝尔物理学奖就颁发给了关于黑洞的一项研究工作,让人们的目光又一次聚焦黑洞研究。  

目前,中国科学院计划在2021年前后发射具有高灵敏度加大视场特性的爱因斯坦探针卫星,核心科学目标就是探索黑洞等致密天体及沉睡中的黑洞。此外,我国还将实施黑洞探针”“天体号脉等探测计划,将有力推动我国在黑洞研究方面取得一批重大原创成果。

(三)引力波开辟了探究宇宙起源的新途径

探索宇宙演化和宇宙结构起源的过程是一项长期性、基础性任务。长久以来,科学家试图通过高能粒子、宇宙射线等多种方式探究宇宙的起源和演化。  

早在1916年,爱因斯坦就基于广义相对论预言了引力波的存在,但直到2015年,美国激光干涉仪(LIGO)才探测到引力波信号,标志着引力波天文时代的开启,为研究宇宙起源与演化开辟了新的途径。LIGO项目和发现引力波成果获得了2017年的诺贝尔物理学奖,并在全球兴起了引力波探测热潮,如欧盟实施了欧洲空间引力波计划(eLISA),美国推出后爱因斯坦计划BBO计划),日本启动实施DECIGO计划等。今年9月发现的首个中等质量黑洞,就是借助引力波探测取得的最新成果。  

习近平总书记对引力波的研究十分关注,曾作出重要批示。我国近年来先后启动了太极计划”“天琴计划,目前正在建设的阿里原初引力波观测站,主要也是用于探测原初引力波,预计将于2021年给出北天最精确的宇宙微波背景辐射极化天图。

(四)深空探测成为科技竞争的制高点

各航天大国积极开展载人航天、月球与深空探测等重大航天工程(603698),在全球范围内掀起新一轮空间探索热潮。比如,美国的勇气号登陆火星,朱诺探测器抵达木星,旅行者1飞出太阳系,欧洲空间局的菲莱着陆器登上彗星。日本的隼鸟一号探测器完成人类首次将小行星样本带回地球;隼鸟二号在龙宫小行星上投放了着陆器,并把采集的密封在返回舱中的首个来自小行星的地下物质样本抛到澳大利亚南部沙漠地带的伍麦拉火箭试验场。在今年,阿联酋希望号、中国的天问一号、美国毅力号先后奔赴火星开展探测。我国的嫦娥探月工程也取得一系列重要进展,去年,嫦娥四号成为世界首个在月球背面软着陆和巡视探测的航天器,最近刚刚发射的嫦娥五号,是人类时隔44年再一次采集月球样品并带回地球。  

围绕深空探测和研究,一批大科学装置发挥了重要作用。2019年,美国的哈勃太空望远镜公布了最新的宇宙照片哈勃遗产场HLF),这是迄今为止最完整、最全面的宇宙图谱,记录了从宇宙大爆炸后5亿年到当代宇宙不同时期约265000个星系,其中有些已至少133亿岁高龄,展现了一部壮丽的宇宙星系演化史。  

2016年,由中科院建设运行的500米口径球面射电望远镜(FAST――“中国天眼正式启用。这是目前世界上最大单口径、最灵敏的射电望远镜,接收面积达到25万平方米(相当于30个足球场),灵敏度是第二名的单口径射电望远镜的2.5倍,将在未来10年内保持世界领先地位。目前已经发现了超过240颗脉冲星,近期在快速射电暴的研究中取得了重要成果。  

一批性能更为先进的大科学装置正在加快建设。如,多国正在共同建设平方公里阵列射电望远镜(SKA),由位于澳大利亚西部的低频阵列和位于南非的中频阵列两部分组成,接收面积约1平方公里,这是人类有史以来建造的最大的天文装置。预计2030年前后投入使用,将开辟人类认识宇宙的新纪元。我国也是SKA的创始成员国之一,积极参与承担了反射面天线、低频孔径阵列、信号与数据传输、科学数据处理、中频孔径阵列等建设和研究工作。

 

二、向微观深入:探究物质世界和生命的终极奥秘

 

从微观结构探究物质世界和生命的本质及运行活动规律,是世界科技前沿的另一个发展方向。从17世纪开始,随着显微镜、光谱分析、X射线、加速器、核磁共振等仪器和方法的出现,让科学家可以探索和解释越来越深层的物质结构和物理规律。原子内部的电子、质子、中子以及多种基本粒子相继被发现。量子力学的发展让科学家可以对基本粒子作出精确的描述。在生命科学方面,1953年,沃森和克里克发现了DNA双螺旋的结构,开启了分子生物学时代,对生命体的研究也进入到分子层次。

(一)对微观粒子及其新物态的研究不断深入

在粒子物理学里,标准模型描述了强力、弱力及电磁力这三种基本力,及组成所有物质的基本粒子,而且能够对实验进行精确预言,并接受实验的精确检验。2013年,科学家依靠大型强子对撞机(LHC)发现了希格斯粒子,完成了标准粒子模型确认工作的最后一环,由此,标准粒子模型预言的61种基本粒子已经全部被发现。  

粒子标准模型取得了巨大成功,是人类认识微观世界的一个重要里程碑,多次诺贝尔物理奖授予了标准模型的相关研究,也推动了天体物理、宇宙学和核物理等学科的重大发展,诞生了新的交叉学科如粒子宇宙学、高能天体物理学等。  

中科院科学家利用大亚湾中微子实验装置,发现了一种新的中微子振荡模式,被认为是该领域最重要的突破之一。该项成果获得了国家自然科学一等奖,以及国际基础物理学突破奖。近日,中科院微尺度国家研究中心发现了标准模型以外的一种全新的自旋-物质相互作用方式,这是一种与现有标准模型框架下已知的相互作用都不相同的相互作用形式,可以说是标准模型之外的全新物理,为研究暗物质打开了一个全新的窗口。

 

(二)量子调控成为当前物质科学与信息技术的重要前沿

理论和实验手段的进步,已经可以让科学家能够观察和定位单个原子,且在低温下可以利用探针尖端精确操纵原子。微观物质结构研究开始从观测时代走向调控时代,也为能源、材料、信息等产业发展提供新的理论基础和技术手段。2012年,诺贝尔物理学奖就授予了测量和操纵单个量子系统的突破性试验方法。  

我国在这一领域具有很强的理论和技术储备,取得了一批重大研究成果。比如,铁基高温超导、多光子纠缠、量子反常霍尔效应等,这3项成果都获得了国家自然科学一等奖。此外,我国科学家在拓扑绝缘体、外尔费米子、马约拉纳束缚态等方面,也取得了具有世界影响的重大成果。  

作为量子调控领域最重要的应用方向,量子通信和量子计算是当前的研究热点,国际竞争非常激烈。2018年,欧盟启动了量子科技旗舰项目计划,美国正式颁布了国家量子计划法,日本也发布了量子飞跃旗舰计划。美国白宫又于今年2月发布了《美国量子网络战略构想》、10月发布了《国家量子信息科学战略投入的量子前沿报告》。  

我国目前在量子密钥通信方面处于世界前沿地位。2016年,中科院成功发射了世界首颗量子通信科学实验卫星墨子号,在国际上首次实现千公里级星地双向量子密钥传送和量子隐形传态,并成功实现洲际量子密钥保密通信,为构建覆盖全球的量子密钥保密通信网络奠定了坚实的基础。中科院牵头建设的京沪干线量子密钥通信骨干网,已于2017年正式开通,这是世界上第一条量子密钥通信保密干线,标志着我国已构建出全球首个天地一体化广域量子密钥通信网络雏形。  

量子计算也是各国高度关注的战略制高点。一台操纵50个微观粒子的量子计算机,对特定问题的处理能力可超过目前运行能力最强的超级计算机,相比经典计算机实现指数级别的加速,具有重大社会和经济价值,如密码破译、大数据优化、材料设计、药物分析等。  

2017年,中国科大的研究团队构建了世界首台超越早期经典计算机(ENIAC)的光量子计算原型机。2019年,谷歌宣布开发出了54量子比特的超导量子芯片,对一个电路采样一百万次只需200秒,而当时运算能力最强的经典计算机Summit需要一万年,率先实现了量子优越性(指当可以精确操纵的量子比特超过一定数目时,量子计算机在特定任务上的计算能力就能远超经典计算机)。刚刚发布的消息,中国科大与中科院上海微系统所、国家并行计算机工程技术研究中心等合作,构建了76个光子的量子计算原型机九章,实现了具有实用前景的高斯玻色取样任务的快速求解,比目前最快的超级计算机快一百万亿倍。目前,谷歌、微软、IBM等跨国企业都在这方面投入巨资,可以预见未来围绕量子计算机的国际竞争将更加激烈。

 

(三)对生物大分子和基因的研究进入精准调控阶段

随着对基因、细胞、组织等的多尺度研究不断深入,以及基因测序、基因编辑、冷冻电镜等新技术的进步,大大提升了生物大分子结构研究的效率,生命科学领域研究正在从定性观察描述定量检测解析发展,并逐步走向预测编程调控再造。分子生物学、基因组学、合成生物学等领域成果不断涌现,全面提升了人类对生命的认知、调控和改造能力。  

基因组学是生命科学最前沿、影响最广的领域之一。人体细胞DNA分子大约有10万个基因,由这些基因控制10万种人体蛋白质的合成。基因工程就是要寻找目的基因,通过对其进行剪切、剔除、连接、重组等操作,实现对生命体的调控。近年来,基因测序成本以超过信息领域摩尔定律的速度下降,2003年全球完成人类基因组测序花了13年、耗资30亿美元,目前只要几百美元、数小时就可完成,这对基因组研究、疾病研究、药物研发、生物育种等具有巨大的推动作用。  

基因编辑技术有人将其比喻为上帝的手术刀,就是对DNA序列进行精准的修剪、切断、替换或添加。自上世纪80年代出现以来,基因编辑技术不断改进和发展,今年获得诺贝尔奖化学奖的CRISPR/Cas9技术,已成为基因编辑最有效、最便捷的工具,广泛应用于生命科学研究和临床研究。