普及科学知识,弘扬科学精神,传播科学思想,倡导科学方法——世界科技前沿发展态势
中国科学院院士、中国科学院原院长 白春礼
近代科学诞生以来，一共发生过五次科技革命，对人类社会的发展进程产生了深远的、革命性的影响。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。
习近平总书记在2020 年9 月11 日的科学家座谈会上强调要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。爱因斯坦也曾讲过，未来科学的发展，无非是继续向宏观世界和微观世界进军。从科学家的角度看，宏观世界大至天体运行、星系演化、宇宙起源，微观世界小至粒子基本结构、量子调控、分子结构，都是当前世界科技发展的最前沿，而对宏观和微观世界的研究成果，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。
探究宇宙的本质，是一个古老的话题，也是当前科技的重要前沿。当前，宏观宇宙学研究的前沿主要是“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。
（一）暗物质暗能量研究成为各国关注焦点。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。今年10月份，美国天体物理学家给出了暗物质、暗能量最精确的计算。认为宇宙当中66.2%是暗能量，其余33.8%是暗物质和物质的组合，宇宙中可见的物质仅占大约5%。因此，暗物质、暗能量被称为21世纪物理学的两朵乌云，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。
（二）黑洞研究打开宇宙和天体起源的新视野。黑洞是恒星死亡以后的遗骸，质量和密度极大，有非常强的吸引力，连光都无法逃脱。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。主要通过观测黑洞形成过程中所释放的伽马射线暴，或者通过两个黑洞环绕运行碰撞的时候产生引力波，黑洞对其他恒星产生引力效应等方法来间接研究黑洞。目前，我国发射了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，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。2021年12月，科学家发布了迄今为止最大的引力波事件目录，目前已经探测90个引力波信号。我国也非常重视引力波的探测，2021年7月太极一号圆满完成实验任务，实现了我国迄今为止最高精度的空间激光干涉测量，完成了国际首次微牛量级射频离子和霍尔两种类型电微推技术的全部性能验证，并率先实现了我国两种无拖曳控制技术的突破。
（四）深空探测成为科技竞争的制高点。人类对于探索太空的步伐是永无止境的。各个航天大国都积极开展载人航天、月球、深空探测等重大航天工程，在全球范围内掀起了新一轮空间探测热潮。围绕深空探测和研究，一批大科学装置发挥了重要作用。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。目前已经发现了500多颗脉冲星，最近研究快速射电暴，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。
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。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。
（一）对微观粒子及其新物态的研究不断深入。理论物理学家研究构成世间万物的最基本的粒子时，提出一个标准模型，预言61种基本粒子和强力、弱力、电磁力构成了世间万物。到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，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。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。量子的发展可以让科学家对基本粒子的微观世界做出一个精确的描述。理论和实验手段的进步，可以使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。
我国在这方面具有很好的理论和技术储备，也设立了很多项目，成立了一个量子信息的国家实验室。国外对这方面的工作也高度重视，如美国白宫发布了《美国量子网络战略构想》《国家量子信息科学战略投入的量子前沿报告》。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。中科院牵头建设的“京沪干线”量子密钥通信骨干网，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。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。目前，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”，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。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。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，2020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。
人工智能是当前发展的一个前沿，在生命科学中也不断取得突破。如何从蛋白质一级结构预测三级结构是科学家长期以来的目标，研究了50 年还没有很好的结果。人工智能不但把所有的蛋白质结构预测出来，准确度非常高。可以预见，这些成果除可以帮助攻克生命科学瓶颈外，也将在解决可持续性粮食安全等重要问题上开辟新机。人工智能在医学治疗、诊治治疗护理、健康管理等环节实现了临床应用，利用人工智能影像辅助诊断可以帮助医生提高癌症、心脏疾病的诊断准确率。医疗人工智能可以通过学习海量的医学数据和专业知识，模拟医生的诊断方式，短时间内提供出高效精准的诊断结果和个性化的治疗方案。
合成生物学被誉为是继DNA 双螺旋结构和人类基因组测序之后的“第三次生物学革命”，也被认为是改变世界的颠覆性技术。利用合成生物学技术可以来培养出用于诊断早期癌症和糖尿病的细菌。目前，科学家已经能够设计多种基因控制模块，组装具有更复杂功能的生物系统，甚至创建出“新物种”。
对宏观世界、微观世界规律研究的不断深入，也反过来推动人类对认识世界、改造世界能力的不断增强。人类活动范围不断拓展，人类生命健康水平不断提升，信息传递交换的能力得到了前所未有的高度，也深刻改变了人类生产生活学习方式。
（一）信息科技成为经济、社会与生活发生深刻变革的主导力量。信息技术的飞速发展打破了空间限制，人与人、人与物的联系日趋紧密，我们正在进入一个“人—机—物”三元融合的万物互联时代。最近几年，物联网、云计算、大数据、人工智能、区块链等飞速发展和广泛应用，引起了经济社会各个方面的深刻变革。而且，信息技术的发展速度还在加快，新的技术、颠覆性技术还在持续不断地涌现，持续推动经济社会加速向数字化转型。
芯片和元器件、计算能力、通信技术正处在一个重要突破关口。现在7 纳米的手机芯片广泛适应，5 纳米的手机芯片可以集成300 亿个晶体管开始试产，3 纳米的芯片正在研发。另外，“互联网+”“智能+”使经济活动更加灵活、智慧，不断催生出新业态、新模式。据统计，数字经济在发达国家经济中占到60%以上，中国目前占36.2%，对GDP 增长的贡献率达到67.7%。
（二）能源、材料、先进制造等领域技术加速进步。全球新一轮能源革命正在兴起，在化石能源清洁高效利用、可再生能源、第四代核能、大规模储能以及动力电池、智慧电网等方面，都取得了一批突破性进展，推动能源技术加速向绿色、低碳、安全、高效、智慧的方向转型。
新材料领域正在向个性化、绿色化、复合化和多功能化的方向发展，金属、陶瓷、高分子和复合材料快速进步，先进机器人、工业互联网技术广泛应用成为新趋势。
（三）生命健康和医疗卫生水平得到革命性飞跃。有人说21世纪是生命科学的世纪。Science创刊125周年时公布的125个最具挑战性的科学问题中，46%属于生命科学。精准医学、癌症治疗、干细胞和再生医学、脑科学研究等是目前的重点。干细胞和再生医学将来是发展重要方向。为有效治疗心血管疾病、糖尿病、神经退行性疾病、严重烧伤、脊髓损伤等难治愈疾病，提供了新的途径，有望成为继药物治疗、手术治疗后的第三种疾病治疗途径，引发新一轮医学革命。
脑科学被看作是自然科学研究的“最后疆域”。美国、欧盟、日本等相继启动脑科学研究计划，发起成立了国际大脑联盟；
我国也将“脑科学”研究纳入“科技创新2030——重大项目”。
（四）深海深地探测为新的能源资源开发利用开辟了新途径。海洋探测我国已经达到1万米，90%的器件实现国产化，但是我们对深地探测目前还是很有限。钻地最深记录是苏联，深度达到12262米，但还没有达到地壳的厚度，地壳平均厚度是17千米，所以我们对深地探测的手段和能力还需要不断加强。
以上，我们从宏观、微观和中观三个层面对科技创新前沿做了概括梳理。人类对自然规律的认识不断向宏观和微观两个极限拓展，对人类自身和我们赖以生存发展环境的理解也在不断深化，从而让我们更好地认识自然、理解自然、改造自然，推动人类社会和文明不断向前迈进。
总体来看，我国科技创新取得了历史性成就，已经具备良好的发展基础和条件，发展潜力很大，发展态势良好。对此，我们要有充分的创新自信，有决心有信心通过不懈努力，充分发挥好我们的已有基础和优势，取得更大的发展成就。同时，我们也要正视我们的短板和不足，牢固树立安全思维和底线思维，找出制约发展的关键问题，找准突破口，扬长避短，因势利导，采取更有针对性的举措，在发展的过程中逐步加以解决。党的二十大提出对高科技自立自强，对科技教育人才高度重视。在以习近平同志为核心的党中央的坚强领导下，我国科技界将继续升华改造、攻坚克难、勇攀高峰，实现高水平的科技自立自强，到2035 年进入创新国家的前列，到2050 年建成世界科技强国。
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