普及科學(xué)知識 弘揚科學(xué)精神 傳播科學(xué)思想 倡導(dǎo)科學(xué)方法
——世界科技前沿發(fā)展態(tài)勢

中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)院原院長 白春禮

近代科學(xué)誕生以來，一共發(fā)生過五次科技革命，對人類社會的發(fā)展進程產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的、革命性的影響。當(dāng)前，面對百年未有之大變局，科技創(chuàng)新已成為影響和改變世界經(jīng)濟版圖的關(guān)鍵變量。

習(xí)近平總書記在2020 年9 月11 日的科學(xué)家座談會上強調(diào)要不斷向科學(xué)技術(shù)廣度和深度進軍?？茖W(xué)技術(shù)的廣度和深度，深刻揭示了世界科技前沿不斷向宏觀拓展、向微觀深入的趨勢和特征。愛因斯坦也曾講過，未來科學(xué)的發(fā)展，無非是繼續(xù)向宏觀世界和微觀世界進軍。從科學(xué)家的角度看，宏觀世界大至天體運行、星系演化、宇宙起源，微觀世界小至粒子基本結(jié)構(gòu)、量子調(diào)控、分子結(jié)構(gòu)，都是當(dāng)前世界科技發(fā)展的最前沿，而對宏觀和微觀世界的研究成果，又會深刻影響和有力推動事關(guān)人類生存與發(fā)展的科技進步。

一、向宏觀拓展：追尋宇宙起源演化的腳步

探究宇宙的本質(zhì)，是一個古老的話題，也是當(dāng)前科技的重要前沿。當(dāng)前，宏觀宇宙學(xué)研究的前沿主要是“兩暗一黑三起源”。其中“兩暗”是指暗物質(zhì)、暗能量，“一黑”是指黑洞，“三起源”是指宇宙起源、天體起源和宇宙生命起源。

（一）暗物質(zhì)暗能量研究成為各國關(guān)注焦點。主流觀點認(rèn)為，在宇宙可觀測到的物質(zhì)之外，還存在暗物質(zhì)、暗能量。今年10月份，美國天體物理學(xué)家給出了暗物質(zhì)、暗能量最精確的計算。認(rèn)為宇宙當(dāng)中66.2%是暗能量，其余33.8%是暗物質(zhì)和物質(zhì)的組合，宇宙中可見的物質(zhì)僅占大約5%。因此，暗物質(zhì)、暗能量被稱為21世紀(jì)物理學(xué)的兩朵烏云，成為當(dāng)前研究的熱點，世界科技大國都在積極布局開展這方面的研究和探測。探測暗物質(zhì)的方式主要分為三類：一是對撞機探測，如歐洲核子中心的大型強子對撞機；二是在地下進行的直接探測，如我國在四川錦屏山地下實驗室中正在開展的相關(guān)實驗；三是間接探測，主要在外層空間進行，通過收集和分析高能宇宙射線粒子和伽馬射線光子尋找暗物質(zhì)存在的證據(jù)。

（二）黑洞研究打開宇宙和天體起源的新視野。黑洞是恒星死亡以后的遺骸，質(zhì)量和密度極大，有非常強的吸引力，連光都無法逃脫。對黑洞的形成、性質(zhì)、結(jié)構(gòu)及其演化規(guī)律進行研究，對于更深入認(rèn)識宇宙的演化具有重要的意義。主要通過觀測黑洞形成過程中所釋放的伽馬射線暴，或者通過兩個黑洞環(huán)繞運行碰撞的時候產(chǎn)生引力波，黑洞對其他恒星產(chǎn)生引力效應(yīng)等方法來間接研究黑洞。目前，我國發(fā)射了具有高靈敏度加大視場特性的“愛因斯坦探針”衛(wèi)星，核心科學(xué)目標(biāo)就是探索黑洞等致密天體及沉睡中的黑洞，實施“黑洞探針”“天體號脈”等探測計劃，將有力推動我國在黑洞研究方面取得一批重大原創(chuàng)成果。

（三）引力波開辟了探究宇宙起源的新途徑。探索宇宙演化和宇宙結(jié)構(gòu)起源的過程是一項長期性、基礎(chǔ)性任務(wù)。長久以來，科學(xué)家試圖通過高能粒子、宇宙射線等多種方式探究宇宙的起源和演化。早在1916年，愛因斯坦就基于廣義相對論預(yù)言了引力波的存在，但直到2015年，美國激光干涉儀（LIGO）才探測到引力波信號，標(biāo)志著引力波天文時代的開啟，為研究宇宙起源與演化開辟了新的途徑。2021年12月，科學(xué)家發(fā)布了迄今為止最大的引力波事件目錄，目前已經(jīng)探測90個引力波信號。我國也非常重視引力波的探測，2021年7月太極一號圓滿完成實驗任務(wù)，實現(xiàn)了我國迄今為止最高精度的空間激光干涉測量，完成了國際首次微牛量級射頻離子和霍爾兩種類型電微推技術(shù)的全部性能驗證，并率先實現(xiàn)了我國兩種無拖曳控制技術(shù)的突破。

（四）深空探測成為科技競爭的制高點。人類對于探索太空的步伐是永無止境的。各個航天大國都積極開展載人航天、月球、深空探測等重大航天工程，在全球范圍內(nèi)掀起了新一輪空間探測熱潮。圍繞深空探測和研究，一批大科學(xué)裝置發(fā)揮了重要作用。2016年，由中科院建設(shè)運行的500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST）——“中國天眼”正式啟用。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了500多顆脈沖星，最近研究快速射電暴，取得了重要成果。一批性能更為先進的大科學(xué)裝置正在加快建設(shè)。

二、向微觀深入：探究物質(zhì)世界和生命的終極奧秘

從微觀結(jié)構(gòu)探究物質(zhì)世界和生命的本質(zhì)及運行活動規(guī)律，是世界科技前沿的另一個發(fā)展方向。從17 世紀(jì)開始，隨著顯微鏡、光譜分析、X 射線、加速器、核磁共振等儀器和方法的出現(xiàn)，讓科學(xué)家可以探索和解釋越來越深層的物質(zhì)結(jié)構(gòu)和物理規(guī)律。原子內(nèi)部的電子、質(zhì)子、中子以及多種基本粒子相繼被發(fā)現(xiàn)。1953 年，沃森和克里克發(fā)現(xiàn)了DNA 雙螺旋的結(jié)構(gòu)，開啟了分子生物學(xué)時代。

（一）對微觀粒子及其新物態(tài)的研究不斷深入。理論物理學(xué)家研究構(gòu)成世間萬物的最基本的粒子時，提出一個標(biāo)準(zhǔn)模型，預(yù)言61種基本粒子和強力、弱力、電磁力構(gòu)成了世間萬物。到2013年，科學(xué)家依靠大型強子對撞機（LHC）發(fā)現(xiàn)了希格斯粒子，完成了標(biāo)準(zhǔn)粒子模型確認(rèn)工作的最后一環(huán)，由此，標(biāo)準(zhǔn)粒子模型預(yù)言的61種基本粒子已經(jīng)全部被發(fā)現(xiàn)。粒子標(biāo)準(zhǔn)模型取得了巨大成功，是人類認(rèn)識微觀世界的一個重要里程碑，推動了天體物理、宇宙學(xué)和核物理等學(xué)科的重大發(fā)展，誕生了新的交叉學(xué)科如粒子宇宙學(xué)、高能天體物理學(xué)等。中科院科學(xué)家利用大亞灣中微子實驗裝置，發(fā)現(xiàn)了一種新的中微子振蕩模式，被認(rèn)為是該領(lǐng)域最重要的突破之一。中科院微尺度國家研究中心發(fā)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)模型以外的一種全新的自旋—物質(zhì)相互作用方式，這是一種與現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)模型框架下已知的相互作用都不相同的相互作用形式，可以說是標(biāo)準(zhǔn)模型之外的全新物理，為研究暗物質(zhì)打開了一個全新的窗口。

（二）量子調(diào)控成為當(dāng)前物質(zhì)科學(xué)與信息技術(shù)的重要前沿。量子的發(fā)展可以讓科學(xué)家對基本粒子的微觀世界做出一個精確的描述。理論和實驗手段的進步，可以使微觀物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究開始從“觀測時代”走向“調(diào)控時代”，也為能源、材料、信息等產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供新的理論基礎(chǔ)和技術(shù)手段。

我國在這方面具有很好的理論和技術(shù)儲備，也設(shè)立了很多項目，成立了一個量子信息的國家實驗室。國外對這方面的工作也高度重視，如美國白宮發(fā)布了《美國量子網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)略構(gòu)想》《國家量子信息科學(xué)戰(zhàn)略投入的量子前沿報告》。2016年，中科院成功發(fā)射了世界首顆量子通信科學(xué)實驗衛(wèi)星“墨子號”，在國際上首次實現(xiàn)千公里級星地雙向量子密鑰傳送和量子隱形傳態(tài)，并成功實現(xiàn)洲際量子密鑰保密通信。中科院牽頭建設(shè)的“京滬干線”量子密鑰通信骨干網(wǎng)，是世界上第一條量子密鑰通信保密干線，標(biāo)志著我國已構(gòu)建出全球首個天地一體化廣域量子密鑰通信網(wǎng)絡(luò)雛形。

量子計算也是各國高度關(guān)注的戰(zhàn)略制高點。2017 年，中國科大的研究團隊構(gòu)建了世界首臺超越早期經(jīng)典計算機（ENIAC）的光量子計算原型機。目前，中國科大與中科院上海微系統(tǒng)所、國家并行計算機工程技術(shù)研究中心等合作，構(gòu)建了76 個光子的量子計算原型機“九章”，比目前最快的超級計算機快一百萬億倍。目前，谷歌、微軟、IBM 等跨國企業(yè)都在這方面投入巨資，可以預(yù)見未來圍繞量子計算機的國際競爭將更加激烈。

（三）對生物大分子和基因的研究進入精準(zhǔn)調(diào)控階段。基因組學(xué)是生命科學(xué)最前沿、影響最廣的領(lǐng)域之一。人體細(xì)胞DNA分子大約有10萬個基因，由這些基因控制10萬種人體蛋白質(zhì)的合成?；蚬こ叹褪且獙ふ夷康幕?，通過對其進行剪切、剔除、連接、重組等操作，實現(xiàn)對生命體的調(diào)控?；蚓庉嫾夹g(shù)有人將其比喻為“上帝的手術(shù)刀”，就是對DNA序列進行精準(zhǔn)的“修剪、切斷、替換或添加”。自上世紀(jì)80年代出現(xiàn)以來，基因編輯技術(shù)不斷改進和發(fā)展，2020年獲得諾貝爾獎化學(xué)獎的CRISPR/Cas9技術(shù)，已成為基因編輯最有效、最便捷的工具，廣泛應(yīng)用于生命科學(xué)研究和臨床研究。

人工智能是當(dāng)前發(fā)展的一個前沿，在生命科學(xué)中也不斷取得突破。如何從蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)預(yù)測三級結(jié)構(gòu)是科學(xué)家長期以來的目標(biāo)，研究了50 年還沒有很好的結(jié)果。人工智能不但把所有的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測出來，準(zhǔn)確度非常高。可以預(yù)見，這些成果除可以幫助攻克生命科學(xué)瓶頸外，也將在解決可持續(xù)性糧食安全等重要問題上開辟新機。人工智能在醫(yī)學(xué)治療、診治治療護理、健康管理等環(huán)節(jié)實現(xiàn)了臨床應(yīng)用，利用人工智能影像輔助診斷可以幫助醫(yī)生提高癌癥、心臟疾病的診斷準(zhǔn)確率。醫(yī)療人工智能可以通過學(xué)習(xí)海量的醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)和專業(yè)知識，模擬醫(yī)生的診斷方式，短時間內(nèi)提供出高效精準(zhǔn)的診斷結(jié)果和個性化的治療方案。

合成生物學(xué)被譽為是繼DNA 雙螺旋結(jié)構(gòu)和人類基因組測序之后的“第三次生物學(xué)革命”，也被認(rèn)為是改變世界的顛覆性技術(shù)。利用合成生物學(xué)技術(shù)可以來培養(yǎng)出用于診斷早期癌癥和糖尿病的細(xì)菌。目前，科學(xué)家已經(jīng)能夠設(shè)計多種基因控制模塊，組裝具有更復(fù)雜功能的生物系統(tǒng)，甚至創(chuàng)建出“新物種”。

三、科學(xué)技術(shù)廣泛應(yīng)用和深刻影響到各個方面：推動經(jīng)濟繁榮、造福人類

對宏觀世界、微觀世界規(guī)律研究的不斷深入，也反過來推動人類對認(rèn)識世界、改造世界能力的不斷增強。人類活動范圍不斷拓展，人類生命健康水平不斷提升，信息傳遞交換的能力得到了前所未有的高度，也深刻改變了人類生產(chǎn)生活學(xué)習(xí)方式。

（一）信息科技成為經(jīng)濟、社會與生活發(fā)生深刻變革的主導(dǎo)力量。信息技術(shù)的飛速發(fā)展打破了空間限制，人與人、人與物的聯(lián)系日趨緊密，我們正在進入一個“人—機—物”三元融合的萬物互聯(lián)時代。最近幾年，物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能、區(qū)塊鏈等飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，引起了經(jīng)濟社會各個方面的深刻變革。而且，信息技術(shù)的發(fā)展速度還在加快，新的技術(shù)、顛覆性技術(shù)還在持續(xù)不斷地涌現(xiàn)，持續(xù)推動經(jīng)濟社會加速向數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

芯片和元器件、計算能力、通信技術(shù)正處在一個重要突破關(guān)口?，F(xiàn)在7 納米的手機芯片廣泛適應(yīng)，5 納米的手機芯片可以集成300 億個晶體管開始試產(chǎn)，3 納米的芯片正在研發(fā)。另外，“互聯(lián)網(wǎng)+”“智能+”使經(jīng)濟活動更加靈活、智慧，不斷催生出新業(yè)態(tài)、新模式。據(jù)統(tǒng)計，數(shù)字經(jīng)濟在發(fā)達國家經(jīng)濟中占到60%以上，中國目前占36.2%，對GDP 增長的貢獻率達到67.7%。

（二）能源、材料、先進制造等領(lǐng)域技術(shù)加速進步。全球新一輪能源革命正在興起，在化石能源清潔高效利用、可再生能源、第四代核能、大規(guī)模儲能以及動力電池、智慧電網(wǎng)等方面，都取得了一批突破性進展，推動能源技術(shù)加速向綠色、低碳、安全、高效、智慧的方向轉(zhuǎn)型。

新材料領(lǐng)域正在向個性化、綠色化、復(fù)合化和多功能化的方向發(fā)展，金屬、陶瓷、高分子和復(fù)合材料快速進步，先進機器人、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)廣泛應(yīng)用成為新趨勢。

（三）生命健康和醫(yī)療衛(wèi)生水平得到革命性飛躍。有人說21世紀(jì)是生命科學(xué)的世紀(jì)。Science創(chuàng)刊125周年時公布的125個最具挑戰(zhàn)性的科學(xué)問題中，46%屬于生命科學(xué)。精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)、癌癥治療、干細(xì)胞和再生醫(yī)學(xué)、腦科學(xué)研究等是目前的重點。干細(xì)胞和再生醫(yī)學(xué)將來是發(fā)展重要方向。為有效治療心血管疾病、糖尿病、神經(jīng)退行性疾病、嚴(yán)重?zé)齻?、脊髓損傷等難治愈疾病，提供了新的途徑，有望成為繼藥物治療、手術(shù)治療后的第三種疾病治療途徑，引發(fā)新一輪醫(yī)學(xué)革命。

腦科學(xué)被看作是自然科學(xué)研究的“最后疆域”。美國、歐盟、日本等相繼啟動腦科學(xué)研究計劃，發(fā)起成立了國際大腦聯(lián)盟；我國也將“腦科學(xué)”研究納入“科技創(chuàng)新2030——重大項目”。

（四）深海深地探測為新的能源資源開發(fā)利用開辟了新途徑。海洋探測我國已經(jīng)達到1萬米，90%的器件實現(xiàn)國產(chǎn)化，但是我們對深地探測目前還是很有限。鉆地最深記錄是蘇聯(lián)，深度達到12262米，但還沒有達到地殼的厚度，地殼平均厚度是17千米，所以我們對深地探測的手段和能力還需要不斷加強。

以上，我們從宏觀、微觀和中觀三個層面對科技創(chuàng)新前沿做了概括梳理。人類對自然規(guī)律的認(rèn)識不斷向宏觀和微觀兩個極限拓展，對人類自身和我們賴以生存發(fā)展環(huán)境的理解也在不斷深化，從而讓我們更好地認(rèn)識自然、理解自然、改造自然，推動人類社會和文明不斷向前邁進。

總體來看，我國科技創(chuàng)新取得了歷史性成就，已經(jīng)具備良好的發(fā)展基礎(chǔ)和條件，發(fā)展?jié)摿艽螅l(fā)展態(tài)勢良好。對此，我們要有充分的創(chuàng)新自信，有決心有信心通過不懈努力，充分發(fā)揮好我們的已有基礎(chǔ)和優(yōu)勢，取得更大的發(fā)展成就。同時，我們也要正視我們的短板和不足，牢固樹立安全思維和底線思維，找出制約發(fā)展的關(guān)鍵問題，找準(zhǔn)突破口，揚長避短，因勢利導(dǎo)，采取更有針對性的舉措，在發(fā)展的過程中逐步加以解決。黨的二十大提出對高科技自立自強，對科技教育人才高度重視。在以習(xí)近平同志為核心的黨中央的堅強領(lǐng)導(dǎo)下，我國科技界將繼續(xù)升華改造、攻堅克難、勇攀高峰，實現(xiàn)高水平的科技自立自強，到2035 年進入創(chuàng)新國家的前列，到2050 年建成世界科技強國。