人工智能、生命科學(xué)、太空探索，盤點過去十年科技進步

盧曉菲

二十一世紀的第二個十年轉(zhuǎn)瞬即逝，在2019年的最后一個月，消失了一段時間的圍棋選手柯潔以別樣的方式重回了大眾視線，這次他是拿了全國斗地主大賽的冠軍，網(wǎng)友戲稱這是降維打擊。跟人類圍棋高手對戰(zhàn)幾無敗績的人工智能，在引發(fā)廣泛關(guān)注的同時也引起了不小的爭議和擔(dān)憂。那些重大的科技事件塑造了過去的十年，去年底《自然》雜志對深刻影響著社會和經(jīng)濟變革的科技事件做了個盤點，里面提到了人工智能、基因編輯、量子計算、環(huán)保新能源等等。讓我們一起去回顧一下過去十年的科技發(fā)展歷程，迎接充滿希望和挑戰(zhàn)的下一個十年。

人工智能

2016年3月，谷歌旗下的DeepMind公司研發(fā)的人工智能機器人阿爾法狗（AlphaGo）對弈前圍棋世界冠軍李世石，吸引了全球超過6000萬人觀看。賽前人們普遍認為人工智能會不敵專業(yè)棋手，但最終阿爾法狗以4：1打敗了李世石。更重要的是，阿爾法狗通過深度學(xué)習(xí)跟強化學(xué)習(xí)的算法模型，很大程度上是自學(xué)圍棋的。在賽后的新聞發(fā)布會上，李世石表示，這不是人類的失敗，只是他個人的失敗。當(dāng)時排名世界第一的棋手柯潔說，李世石能贏得一局證明機器并不完美，自己有信心戰(zhàn)勝機器。2017年5月，當(dāng)時的圍棋世界冠軍柯潔以0：3不敵阿爾法狗。2019年11月，棋手李世石宣布退役，原因是他認為人工智能不可戰(zhàn)勝。

過去十年人工智能終于開始展露它的強大力量和破壞潛力。利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別復(fù)雜數(shù)據(jù)里的模型，隨著這種深度學(xué)習(xí)技術(shù)的到來，人工智能終于大顯身手，實現(xiàn)了可靠的語言翻譯，陸續(xù)在撲克游戲、視頻游戲和圍棋上打敗了專業(yè)人類玩家。機器學(xué)習(xí)幾乎涉獵了所有領(lǐng)域，從材料科學(xué)到藥物研發(fā)，從量子物理學(xué)到醫(yī)學(xué)。人們現(xiàn)在已經(jīng)不再懷疑很多人類的工作將會被機器取代，機器比人類更便宜更高效，而且這種轉(zhuǎn)變可能來得比我們預(yù)期的還要快。現(xiàn)在人工智能已經(jīng)開始展示在自動駕駛汽車上的應(yīng)用。在這次新冠肺炎疫情中，我們也看到了自動駕駛物流車在無接觸運送醫(yī)療物資和送餐、快遞，自動駕駛環(huán)衛(wèi)車在戶外進行清掃和消毒作業(yè)。

另一方面，擔(dān)憂人工智能可能帶來的風(fēng)險的討論也愈演愈烈。但其實人工智能最大的威脅并非來自類似電影《終結(jié)者》里的機器人暴動，而是來自于人類自身對這些計算工具的不當(dāng)甚至糟糕的使用。算法尚未能將很多人類特質(zhì)實現(xiàn)自動化，比如被人們稱為“常識”的微妙認知能力。未來的機器需要更細致的推理能力和更精確的現(xiàn)實表現(xiàn)水平，而那依賴于概念的進步和架構(gòu)的創(chuàng)新，以及更大的電路。

2018年11月人們發(fā)現(xiàn)亞馬遜人工智能招聘軟件偏好男性候選人，這種性別其實并非人工智能自發(fā)的。而是因為用于培訓(xùn)人工智能的簡歷是公司10年來收到的簡歷，由于男性員工居多所以簡歷也大多是男性的，最終導(dǎo)致人工智能系統(tǒng)對候選人也有性別偏好。要想正確地使用人工智能，還必須清楚的一點是，算法是依據(jù)人類過往的表現(xiàn)進行訓(xùn)練的，也就是說算法很可能也繼承了人類的偏差和偏見， 從而違背了自動化過程本質(zhì)上是客觀的這一設(shè)想。科學(xué)家們要開發(fā)更加人性化更為可靠的人工智能，在未來十年需要進行跨學(xué)科合作，不僅僅需要工程和物理學(xué)家，還要集其他社會科學(xué)及人文科學(xué)研究人員之力，讓心理學(xué)家、社會學(xué)家、哲學(xué)家、法律學(xué)者也參與到開發(fā)過程。

生命科學(xué)

在生命科學(xué)領(lǐng)域，信息革命推動了對微生物組（即特定環(huán)境中所有微生物及其遺傳物質(zhì)）研究的變革，改變了人們對參與有機物分解的重要微生物的認知，對微生物在人體疾病中的作用的理解等等。同樣的，對人類進化的研究也從骨頭和石頭延伸到了基因和蛋白。2010年，科學(xué)家們公布了尼安特人的基因組草圖。2012年，科學(xué)家從一塊來自西伯利亞南部阿爾泰山脈的古人類指骨化石中提取DNA， 從而發(fā)現(xiàn)了一個全新的人種丹尼索瓦人。這些發(fā)現(xiàn)有助于揭開人類進化、遷徙和人口結(jié)構(gòu)之謎。

到了2010年，隨著基因測序的成本降低和速度加快涌現(xiàn)出了大量的數(shù)據(jù)，既帶來了價值又帶來了挑戰(zhàn)。一些研究人員利用大數(shù)據(jù)和計算能力，去探索基因?qū)θ祟惖男袨楹褪芙逃潭鹊雀叨葟?fù)雜問題的遺傳貢獻。而實際上，任何類似的關(guān)聯(lián)都是分散和片面的。盡管如此，還是有基因測序公司把手伸向了智商預(yù)測領(lǐng)域，把這看成是潛在的有利可圖的市場，很可能還會開發(fā)預(yù)測人體其他特質(zhì)的基因測序產(chǎn)品。而這種產(chǎn)品的商業(yè)應(yīng)用，出現(xiàn)在科研人員對此類測試的可靠性和有效性達成共識之前，更遑論對其進行監(jiān)管。

另一個不斷向前推進的研究領(lǐng)域是把成熟的體細胞重新編程逆轉(zhuǎn)為干細胞。這種誘導(dǎo)多能干細胞的能力，讓從各種成體細胞中培養(yǎng)出新細胞成為可能。目前科研人員已經(jīng)在探索將其應(yīng)用于臨床，治療視網(wǎng)膜和神經(jīng)組織的退化或損傷。然而，這同樣是一個尚未獲批且有潛在風(fēng)險的治療方案，而市場卻發(fā)展迅猛。

2012年，美國加利福尼亞大學(xué)伯克利分校教授珍妮弗·道德納和在德國馬克斯·普朗克感染生物學(xué)研究所工作的法籍科學(xué)家?，敿~埃勒·沙爾龐捷發(fā)明了新的基因編輯技術(shù)CRISPR-cas9系統(tǒng)，讓基因編輯變得更加簡便、高效，還降低了成本。這一技術(shù)可以對DNA進行任意位置的截斷、剔除、插入或置換?；蚓庉嫾夹g(shù)在過去十年發(fā)展迅猛。多年來科學(xué)界達成的共識是，不對人類精子、卵子和胚胎進行基因編輯，因為考慮到對生下來的孩子可能造成風(fēng)險，以及人為制造遺傳性的改變存在倫理問題。隨著世界衛(wèi)生組織和科學(xué)醫(yī)學(xué)界競相制定規(guī)范指南，人們需要反思為何倫理和規(guī)章框架總是滯后于科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。與此同時，研究人員必須思考現(xiàn)在能做些什么，來確保技術(shù)在確認足夠安全、有效和包容之前不會被應(yīng)用于人體?；谔摷俚某兄Z而產(chǎn)生的市場需求凌駕于科學(xué)界的清醒思考之上，這種可能出現(xiàn)的情形是令人擔(dān)憂的。

太空探索

在上一個十年伊始的時候，人們知道的系外行星只有450個，但現(xiàn)在人們發(fā)現(xiàn)的系外行星已經(jīng)超過4000個。2018年NASA發(fā)射了新的系外行星探測器“苔絲“。而位于貴州的“中國天眼“——FAST射電望遠鏡也于2019年正式投入使用。

2008年，位于瑞士日內(nèi)瓦附近的歐洲核子研究中心CERN啟動了大型強子對撞機LHC，這是全球耗資最多的科研合作項目之一。2012年，歐洲核子研究中心的的科研人員宣布發(fā)現(xiàn)了希格斯玻色子，它是物理學(xué)標(biāo)準模型中最后一個待發(fā)現(xiàn)的粒子，這個發(fā)現(xiàn)促進了物理學(xué)標(biāo)準模型的完善和發(fā)展。2013年的諾貝爾物理學(xué)獎授予了預(yù)測希格斯機制的弗朗索瓦·恩格勒和彼得·希格斯。

2016年2月11日， LIGO激光干涉儀引力波天文臺項目首次宣布探測到引力波，引力波來自離我們13億光年的兩個黑洞合并事件，LIGO利用臂長達4公里的激光干涉儀于2015年9月14日直接探測到了這個事件造成的引力波。一百年前，愛因斯坦的廣義相對論預(yù)測說劇烈的天體物理事件會引起微弱的時空振蕩，而一百年后LIGO最終探測到了引力波證實了這一預(yù)言。 2017年6月，LIGO和VIRGO同時宣布了第三個引力波事件。2017年的諾貝爾物理學(xué)獎頒給了LIGO的負責(zé)人美國科學(xué)家雷納·韋斯、巴里·巴里什和基普·索恩，以表彰他們對發(fā)現(xiàn)引力波所作的貢獻。這些分別位于美國和歐洲的引力波天文臺，現(xiàn)在已經(jīng)能測量出黑洞或者中子星碰撞所產(chǎn)生的引力波引起的比質(zhì)子直徑還小得多的時空變化。隨著更多探測器投入使用，以及對現(xiàn)有設(shè)備更好的升級，引力波正成為觀測宇宙的另一扇窗戶，和無線電波、伽馬射線等電磁波并駕齊驅(qū)，為科學(xué)家了解宇宙的起源提供豐富的研究信息。中國科學(xué)家正在海拔5000多米的西藏阿里開展引力波觀測站計劃。

類似的科技突破還有量子信息科學(xué)。在2010年的時候量子計算看上去只是紙上談兵，但今天量子計算發(fā)展之快讓業(yè)內(nèi)專家也為之驚嘆。2016年IBM才把第一臺5量子比特的量子計算機放到云上，2017年5月中國科學(xué)家宣布首次實現(xiàn)10個超導(dǎo)量子比特的糾纏的光量子計算機。2017年底美國IBM公司推出全球首個50量子比特的量子計算原型機。而到了2019年，量子計算機的陣容里有來自IBM、Google和其他公司的大規(guī)模量子計算機。2019年10月，谷歌宣布成功實現(xiàn)“量子霸權(quán)”，傳統(tǒng)超級計算機要用1萬年才能完成的任務(wù)，其量子計算機只需要200秒就能解決。但隨后IBM公司的科研人員指谷歌的研究存在明顯漏洞，傳統(tǒng)超級計算機完成這項任務(wù)所需的時間只有兩天半，而非1萬年;且量子計算機只在特定問題上具有優(yōu)勢，并不能真正超越傳統(tǒng)計算機。過去十年量子通信方面也取得了長足發(fā)展。2016年8月中國用長征二號丁運載火箭成功將世界授課量子科學(xué)實驗衛(wèi)星“墨子號”發(fā)射升空。2017年9月中國的科學(xué)家用量子方法來確保長距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?，率先在全球衛(wèi)星傳輸中使用量子隱形傳態(tài)技術(shù)，開通了世界首條量子保密通信干線——“京滬干線”，京滬干線跟“墨子號”量子衛(wèi)星對接，構(gòu)建了天地一體化廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)的雛形。專家預(yù)測到2030年，星地一體的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)可投入應(yīng)用。

氣候危機

從2019年9月開始的澳大利亞山火，歷時四個月尚未熄滅，2020年新年剛過，煙塵跨海飄到了新西蘭，將奧克蘭天空染成深橙色，仿佛科幻電影里的末日景象，山火估計造成5億只動物喪生。2020年2月14日，南極一個監(jiān)測站錄下20℃的高溫，這是南極地區(qū)有氣象記錄以來最熱的氣溫。十年來，環(huán)境危機變得越來越常見，而很多危機背后都源自全球變暖加劇。根據(jù)世界氣象組織的數(shù)據(jù)，2015年至2019年是有記錄以來最暖的年份。全球變暖之快意味著將升溫幅度控制在只比工業(yè)化前高1.5至2攝氏度非常困難。未來十年是成敗的關(guān)鍵。如果無法在2030年前大幅度減少碳排量，人類將面對很多不確定性，可能越過不可逆轉(zhuǎn)的臨界點，雖然關(guān)于這個仍有爭議，例如南極冰大范圍融化之類的。人們也擔(dān)心全球變暖會讓存在于凍土中的古老病毒卷土重來。

為了應(yīng)對氣候變化，很多國家現(xiàn)在正對新能源技術(shù)進行長線投資。2025年啟動國際熱核聚變實驗堆計劃（ITER）在法國南部的核聚變實驗堆將會是一個里程碑。核聚變能源對環(huán)境沒有污染，不會產(chǎn)生高放射性核廢料，但目前還沒有反應(yīng)堆能實現(xiàn)反應(yīng)中產(chǎn)生的能量超過點燃反應(yīng)所需要的能量?？紤]到氣候變化的緊迫性，核聚變能源帶來的收益似乎太遙遠了。根據(jù)國際熱核聚變實驗堆計劃的路線圖，計劃在2035年左右實現(xiàn)可持續(xù)的凈能源輸出，而商業(yè)應(yīng)用至少要等到2050年。這意味著，在未來十年需要大規(guī)模使用其他能源生產(chǎn)方式并同時減少碳排量?？蒲腥藛T要尋找創(chuàng)新的技術(shù)，例如碳捕獲或者人工光合作用分解水，解決方案還必須包括對能源經(jīng)濟的運行方式進行重大改變。