科學(xué)賦能未來
——2019未來科學(xué)大獎獲獎?wù)邆?cè)記

王小云：設(shè)計更安全的密碼算法

密碼哈希（Hash）函數(shù)是大多數(shù)密碼應(yīng)用及系統(tǒng)的核心。多年來，基于哈希函數(shù)的MD5和SHA-1，被公認(rèn)為國際上最先進(jìn)、應(yīng)用范圍最廣的兩大重要算法。這兩種算法的厲害之處在于，對于輸入信息的任何一次小的篡改都會立刻引起“雪崩效應(yīng)”，從而保證信息的數(shù)字指紋的唯一性和不可偽造性。早在1994年起，這兩種算法就被美國政府采納，后成為國際電子簽名及其他密碼系統(tǒng)廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，被稱作“固若金湯的大廈”。多年來，無數(shù)密碼學(xué)精英在其破解之路上無功而返，它們“無堅不摧”的名號也愈發(fā)響亮——在王小云橫空出世之前。

2004年8月15日，美洲密碼學(xué)年會（CRYPTO）開幕前夕。一位中國女科學(xué)家拿著自己在密碼哈希函數(shù)領(lǐng)域的成果找上了時任大會主席詹姆斯·休斯（JamesHughes）教授。她就是王小云。這場毛遂自薦使那年的會場上出現(xiàn)了一個臨時變化。原本大會日程中有一個自由交流環(huán)節(jié)——RumpSession，被選中者將有3到5分鐘時間在這一環(huán)節(jié)介紹其工作進(jìn)展，而王小云得到了15分鐘。

在這15分鐘里，王小云宣布了她和團(tuán)隊在MD5、HAVAL—128、MD4和RIPEMD4個著名密碼哈希函數(shù)算法的破解結(jié)果?！爱?dāng)王（小云）教授陳述其報告的時候，在場聆聽報告的人們彼此相望，幾乎不相信她的驚人發(fā)現(xiàn)，然而在她的報告結(jié)束后，全場立刻起立給王教授報以長久而熱烈的掌聲，人們擁向講臺向她表示衷心地祝賀，她帶去的報告材料被一搶而光……”格基約化算法LLL以及數(shù)域篩法的第一作者ArjenLenstra描述著當(dāng)時的場面。有一家專為公開征集針對MD5的攻擊而設(shè)立的權(quán)威網(wǎng)站，于2004年8月17日宣布：“中國研究人員發(fā)現(xiàn)了完整MD5算法的碰撞……由于這個里程碑式的發(fā)現(xiàn)，MD5CRK項(xiàng)目將在隨后48小時內(nèi)結(jié)束。”

王小云一戰(zhàn)成名?！爸庇X上覺得并沒有那么安全”，在談到為何會選擇這種被公認(rèn)為牢不可破的算法攻關(guān)時，王小云說。她不喜歡輕而易舉就可以完成的工作，挑戰(zhàn)性越強(qiáng)越能激發(fā)起她的斗志?！懊艽a分析科學(xué)家和黑客不同。黑客是盜取密碼保護(hù)的信息以獲取利益，而密碼分析科學(xué)家從事的是基礎(chǔ)理論研究，是為了評估密碼算法的安全性，找到其漏洞，以設(shè)計出更安全的密碼算法?！?/p>

2005年，王小云與合作者找到了一種新方法對SHA-1進(jìn)行有效攻擊，攻擊效率為269次運(yùn)算；不久，效率又被提高到261。就在王小云埋頭攻破SHA-1時，美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）曾公開表示，雖然MD5被破解了，但SHA-1還沒發(fā)現(xiàn)任何安全隱患。顯然，NIST也沒想到王小云居然這么快又動搖了SHA-1。2006年，NIST發(fā)文承認(rèn)“王（小云）教授確實(shí)發(fā)現(xiàn)了SHA-1的實(shí)際碰撞攻擊”，并宣布美國聯(lián)邦機(jī)構(gòu)在2010年之前停止SHA-1在數(shù)字簽名、數(shù)字時間戳以及其他基于SHA-1無碰撞特性的密碼應(yīng)用；2007年，又在全球范圍內(nèi)啟動了HASH函數(shù)新標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的“五年工程”。

就在國際上忙于新的密碼算法標(biāo)準(zhǔn)時，王小云也與國內(nèi)其他專家設(shè)計出了我國第一個哈希函數(shù)算法標(biāo)準(zhǔn)——SM3。2010年，SM3正式公布，經(jīng)過國內(nèi)外密碼專家的評估，它的安全性得到了高度認(rèn)可。如今，SM3已經(jīng)在金融、交通、國家電網(wǎng)等重要領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。最令王小云高興的是，SM3發(fā)布之后，我國相繼有30多項(xiàng)密碼相關(guān)領(lǐng)域的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)出爐，國家網(wǎng)絡(luò)安全體系在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化問題的認(rèn)識上越來越深刻了。

此次獲獎前，王小云曾先后獲得陳嘉庚科學(xué)獎、求是杰出科學(xué)家獎、中國青年女科學(xué)家獎、國家自然科學(xué)獎二等獎、蘇步青應(yīng)用數(shù)學(xué)獎等，2017年當(dāng)選為中國科學(xué)院院士。

邵峰：學(xué)問外的一切都是副產(chǎn)品

人類與體內(nèi)的細(xì)菌長期共存。有些細(xì)菌會讓人患上疾病，但多數(shù)細(xì)菌都能夠與人類和平共處，幫助人類消化食物，甚至抵抗其他有害病原菌。一直以來，機(jī)體的免疫系統(tǒng)如何區(qū)別有益和有害細(xì)菌，有效地發(fā)起免疫反應(yīng)，是生物學(xué)研究的重要問題。

邵峰的研究基于焦亡模式的細(xì)胞死亡，以及宿主天然免疫的發(fā)現(xiàn)回答了這一問題，并且為探索病原菌感染以及相關(guān)疾病的預(yù)防和治療提供了新的途徑。

他用“平行”和“線性”類比了過去和現(xiàn)在的研究模式，在過去，邵峰都是針對每一個互相獨(dú)立的細(xì)菌毒素平行地展開研究，課題不具備交叉和延展性。而之后他發(fā)現(xiàn)的天然免疫機(jī)制，涉及了許多蛋白質(zhì)和信號通路，他可以順著這些線索往下深挖下去，找到更多的新的分子和機(jī)制，解決一系列相關(guān)重要科學(xué)問題，直到擴(kuò)展成一個層層疊加的新的知識體系。

在這樣一個科學(xué)理想和研究思路下，邵峰首創(chuàng)性地找到了細(xì)胞內(nèi)識別LPS的蛋白——炎癥蛋白水解酶caspase-4和-5，除LPS受體之外，他還鑒定了一系列針對胞內(nèi)細(xì)菌其它重要分子的新的受體蛋白；更進(jìn)一步，他的研究還首次發(fā)現(xiàn)了這些受體蛋白最終是通過激活下游的一個被名為gasdermin-D的、具有膜穿孔活性的蛋白，從而引發(fā)細(xì)胞發(fā)生焦亡。

更令邵峰興奮的是，他還發(fā)現(xiàn)gasdermin-D代表的整個gasdermin家族蛋白都具有膜穿孔和誘導(dǎo)細(xì)胞焦亡的功能。細(xì)胞焦亡是一種程序性細(xì)胞壞死，該過程中細(xì)胞會不斷脹大直至細(xì)胞膜破裂，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)容物的釋放進(jìn)而激活強(qiáng)烈的炎癥反應(yīng)。細(xì)胞焦亡是機(jī)體重要天然免疫反應(yīng)，但過度的細(xì)胞焦亡會誘發(fā)包括敗血癥在內(nèi)的多種炎癥和免疫性疾病。過去很長時間，人們對細(xì)胞焦亡的性質(zhì)和機(jī)制都不清楚，gasdermin-D膜穿孔蛋白的發(fā)現(xiàn)完美地詮釋了什么是細(xì)胞焦亡，如何研究細(xì)胞焦亡，并且也重新定義了細(xì)胞焦亡的概念。

未來科學(xué)大獎生命科學(xué)獎委員會委員何川表示，“這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)的意義非常重大，以前在敗血癥等一些疾病的臨床研究中，光用細(xì)胞膜受體的研究結(jié)果不能夠很好地解釋疾病為什么會發(fā)生，而邵峰在細(xì)胞內(nèi)的這些發(fā)現(xiàn)，能讓許多問題得到合理的解釋?！边@意味著，未來有望從細(xì)胞焦亡和天然免疫系統(tǒng)入手，調(diào)節(jié)炎癥反應(yīng)，改變免疫微環(huán)境，從而尋找新的靶點(diǎn)來開發(fā)藥物。例如，由于LPS受體過度激活，引起了細(xì)胞焦亡不正常地發(fā)生，最終可能引起敗血癥，而針對gasderminD過度活化就可以開發(fā)藥物來治療敗血癥。而邵峰團(tuán)隊目前正在努力積累更多有關(guān)炎癥、天然免疫與細(xì)胞焦亡的新發(fā)現(xiàn)和知識，來豐富和鞏固這一領(lǐng)域的知識框架和體系，為未來靶點(diǎn)藥物研發(fā)奠定堅實(shí)的基礎(chǔ)。

獲得未來科學(xué)大獎之前，邵峰曾被授予中國細(xì)胞生物學(xué)會杰出成就獎、國際蛋白質(zhì)學(xué)會鄂文·西格青年科學(xué)家獎，入選國家“萬人計劃”領(lǐng)軍人才、國家創(chuàng)新人才推進(jìn)計劃等。2015年，邵峰當(dāng)選中國科學(xué)院院士。至今，出生于1972年的他還是中國最年輕的院士。

得知自己獲獎時，邵峰在現(xiàn)場連線中表現(xiàn)得異常平靜，第一句回復(fù)也只有簡單的3個字“挺好的”。邵峰表示，他的激動點(diǎn)其實(shí)非常高，但在撰寫和投遞天然免疫研究的文章時，會格外高興。一如他在以往的采訪中所表達(dá)的，“我希望更多同行明白，科學(xué)的天很高，踏實(shí)做學(xué)問就好，其他一切只是副產(chǎn)品”。

王貽芳、陸錦標(biāo)：第三種中微子振蕩

王貽芳和陸錦標(biāo)的人生軌跡本來大不相同。他們相差10歲，實(shí)驗(yàn)高能物理學(xué)家王貽芳，1963年2月20日出生于江蘇南京，曾當(dāng)選為中國科學(xué)院院士、俄羅斯科學(xué)院外籍院士、發(fā)展中國家科學(xué)院院士，現(xiàn)任中國科學(xué)院高能物理研究所所長、中國科學(xué)院大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院院長；而美國華裔粒子物理學(xué)家陸錦標(biāo)，1953年3月出生于中國香港，是美國國家科學(xué)院院士、美國物理學(xué)會會士，現(xiàn)任美國加州大學(xué)伯克利分校物理系教授、美國費(fèi)米國家實(shí)驗(yàn)室HyperCP實(shí)驗(yàn)發(fā)言人。真正讓他們軌跡重合的是大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)。

宣布王貽芳、陸錦標(biāo)獲獎。

中微子是一種在核衰變與核反應(yīng)中釋放的一種具有及其微弱相互作用的基本粒子。本世紀(jì)初，日本與加拿大的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)已知三種中微子之間的兩種相互轉(zhuǎn)化的現(xiàn)象（或振蕩），標(biāo)志中微子具有不為零的質(zhì)量與存在超出當(dāng)前粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的相互作用，因而獲得2015年的諾貝爾物理學(xué)獎。但是理論上存在的中微子第三種振蕩卻更為有趣，因?yàn)樗A(yù)示著中微子振蕩具有CP破壞的性質(zhì)。但在21世紀(jì)的前10年，物理學(xué)家認(rèn)為第三種振蕩可能非常微弱，甚至不存在。盡管如此，中國、法國、韓國、美國的粒子物理實(shí)驗(yàn)家都提出了實(shí)驗(yàn)方案，開展了一場高水平的科學(xué)競賽。

大亞灣反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)是一個建于中國的多國粒子物理項(xiàng)目，成立于2006年。王貽芳是項(xiàng)目首席科學(xué)家，陸錦標(biāo)為美方召集人。他們組織并領(lǐng)導(dǎo)合作組開展了一系列創(chuàng)新，包括設(shè)計和研制全同的探測器模塊來消除系統(tǒng)誤差、發(fā)展化學(xué)上極其穩(wěn)定的釓摻雜有機(jī)液態(tài)閃爍體，和高靈敏度的宇宙線甄別探測系統(tǒng)，使得大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)具世界最高靈敏度。2012年3月，王貽芳和陸錦標(biāo)代表大亞灣國際合作組宣布首次探測到中微子的第三種振蕩模式，精確測量了它們由于振蕩現(xiàn)象而引起的消失概率。就在大亞灣結(jié)果公布了25天后，韓國的RENO實(shí)驗(yàn)也證實(shí)了這個發(fā)現(xiàn)。

據(jù)介紹，大亞灣實(shí)驗(yàn)是一個中微子“消失”的實(shí)驗(yàn)，它通過分布在3個實(shí)驗(yàn)大廳的8個全同的探測器來獲取數(shù)據(jù)。每個探測器為直徑5米、高5米的圓柱形，裝滿透明的液體閃爍體，總重110噸。周圍緊鄰的核反應(yīng)堆產(chǎn)生海量的電子反中微子，近點(diǎn)實(shí)驗(yàn)大廳中的探測器將會測量這些中微子的初始通量，而遠(yuǎn)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)大廳的探測器將負(fù)責(zé)尋找預(yù)期中的通量減少。

在2011年12月24日至2012年2月17日的實(shí)驗(yàn)中，科研人員使用了6個中微子探測器，完成了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的獲取、質(zhì)量檢查、刻度、修正和數(shù)據(jù)分析。結(jié)果表明中微子第三種振蕩幾率為9.2%，誤差為1.7%，從而首次發(fā)現(xiàn)了這種新的中微子振蕩模式。這種振蕩模式的實(shí)驗(yàn)確立表明了中微子有可能破壞宇稱與正反粒子聯(lián)合對稱性（CP）。

第三種中微子振蕩的確立為未來中微子實(shí)驗(yàn)研究指明了方向，《科學(xué)》雜志將其評價為“中國本土迄今為止最重要的物理學(xué)成果”。新一代的國際中微子實(shí)驗(yàn)，包括測量三種中微子的質(zhì)量順序以及中微子CP破壞的實(shí)驗(yàn)計劃都是根據(jù)大亞灣實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行設(shè)計的。2019未來科學(xué)大獎—物質(zhì)科學(xué)獎在獲獎理由中稱，他們發(fā)現(xiàn)的第三種中微子震蕩模式，為超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理研究，特別是解釋宇宙中物質(zhì)與反物質(zhì)不對稱性提供了可能。

但剛開始決定在中國大亞灣核電站設(shè)置兩個中微子探測器時，其實(shí)并不被看好?！澳菚r中國發(fā)展粒子物理的時間并不長，在世界上也不知名，人們對中國的了解不多，只知道北京的正負(fù)電子對撞機(jī)?！标戝\標(biāo)說。但他和王貽芳都認(rèn)為高功率的中國大亞灣核電站作為反電子中微子源并配合周邊的山脈作為地下實(shí)驗(yàn)室的屏蔽是世界上最佳的實(shí)驗(yàn)場所。為此，在李政道等物理學(xué)家的大力協(xié)助下，陸錦標(biāo)在中美兩國之間不斷溝通，終于使兩國達(dá)成了共識。獲獎后，陸錦標(biāo)覺得自己就像是牛頓所說的那個在海灘上的小男孩，撿到了真理之海中一個小小的貝殼，但他并不認(rèn)為這只是幸運(yùn)，而是“在正確的時間站在了正確的地方”。

王貽芳感受更深刻的則是中國高能物理人才的培養(yǎng)。他表示，最近十幾年來，隊伍發(fā)展是比較迅速的，首先是國外回來了一批人，其次是自己培養(yǎng)了一批人，特別是大亞灣這個項(xiàng)目的骨干，絕大多數(shù)是他培養(yǎng)的?！斑@些人做的工作是世界頂尖的，我們從合作組內(nèi)部的比較就可看出來，這些人成長的環(huán)境就是國際合作的環(huán)境，跟他們出國留學(xué)沒有什么差別。同時，他們做的項(xiàng)目是最好的項(xiàng)目?！蓖踬O芳絲毫不掩飾對于中國高能物理人才的自信。“與他們同臺競爭的是美國最好的大學(xué)，他們一點(diǎn)都不差，這個隊伍成長得非常迅速，而且非常優(yōu)秀。也正是有了這樣一個隊伍，我們才敢再做像江門中微子實(shí)驗(yàn)這樣一個無論是技術(shù)還是科學(xué)都是世界領(lǐng)先的項(xiàng)目”。盡管如此，王貽芳仍然感覺人才遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠用，獲獎后接受采訪時，他甚至難得幽默了一把：“你們得給我宣傳一下，說我缺學(xué)生，趕緊來報名?！?/p>