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专家建言

于渌:基础交叉前沿科学发展趋势

  探明宇宙演化、物质结构、生命起源和认知机理是人类永恒的追求,这些基础科学领域的突破往往能从根本上改变我们对时间、空间和物质运动规律的认识,催生变革性技术,开创物质文明的新时代。20世纪创建的相对论和量子力学打破了经典物理学绝对的时空观和粒子运动必须有轨迹的观念,揭示了时空性质与物质、运动的联系,采用“量子态”描述物理体系;新理论的建立促进了半导体晶体管、计算机、互联网、激光、核能利用等变革性技术的出现,造就了信息时代的物质文明。可见,在科技领域,一些看似相互独立的问题实际上有着深刻的内在联系。当今时代重大基础交叉科学的突破完全有可能催生新的科学革命,为人类创造现在还难以想象的先进物质文明。我们一定要顺应这一发展趋势,把握好这一历史机遇。

  研究宇观世界的天文宇宙学和研究微观世界的粒子物理学近年来的交叉融合是一个重要的发展趋势。基于天文观测和粒子物理学成果提出的宇宙大爆炸模型,正在经受各种天体和粒子物理精密测量的检验,使宇宙学逐步成为定量科学。人类已经了解的物质形态在宇宙中只占约5%,其他主要是暗物质(与光不发生相互作用)和暗能量(能导致宇宙加速膨胀),它们与普通物质不能相互转换,但会决定宇宙的未来。为了揭示暗物质和暗能量的本质,发达国家投入大量人力物力,以求尽早取得突破。中国锦屏地下实验室已在暗物质直接探测方面取得了有国际竞争力的成果;在暗能量研究方面,我国也在积极筹建并参与国际合作的大型巡天望远镜计划。

  掌握微观量子世界运动规律是许多现代技术应用的基础,但宏观测量会破坏量子态的“相干性”,使它成为“看不见”“摸不着”的“自在之物”。近年来精密实验技术的发展正在逐步改变这种状况。利用扫描电子隧道显微镜可以观察和移动单个分子、原子,运用飞秒激光技术可以研究分子内部的动力学过程,可以逐层逐列地将原子、分子构筑成晶体,可以产生和探测单个光子。这些过去不可思议的手段已经使原子、电子、光量子等变成“看得见”“摸得着”“可调控”的“为我之物”。从这个意义上说,90年前提出的量子力学已从观测、解释阶段进入了崭新的“调控时代”。

  用量子态取代信息技术中的经典比特,即将开创“量子信息技术”的新时代。300个量子比特可存储的状态是2的300次方,相当于整个宇宙中的原子数,这奠定了运用量子计算机进行海量并行运算的基础。量子信息的相干性、纠缠性、非定域性和不可克隆性等特点,使它较经典信息技术具备巨大的优越性,尤其是它无懈可击的保密性。我国在量子通信方面已走到国际前列。量子材料的设计、制备和表征是“量子调控”的另一重要方面。传统做法是通过多次试验探索新材料,周期长、效率低;新做法是基于对材料结构和物性的深刻理解,按照需求设计和制备材料。近年来凝聚态物理中的热门材料如“拓扑绝缘体”“拓扑半金属”等就是先理论计算预言,利用特定材料体系制备样品,再用各种精密测量手段表征、验证。这种理论计算、材料制备与实验表征紧密结合的新范式,使我国的相关研究水平迅速走到国际前列。

  基因组学、合成生物学等现代生物学理论和技术,与天文学、地质学、古生物学以及遗传学的最新进展相结合,为研究生命起源和进化提供了新思路、新手段。运用现代生物学知识和生物化学方法人工合成蛋白质、核酸等并实现其生物学功能,这是研究生物分子体系起源并实现由简单到复杂演化机理的重要途径。对现存生物的亚细胞和细胞结构,先通过分解分析认识其最基本组成单元,再通过人工设计组合产生新的符合设计目标的可复制细胞,逐步实现实验室中“人造生命”的梦想,使人类可以深度改造和创造生命。

  探索智能的本质,了解脑结构及其认知功能,不但是脑与认知科学领域的基本问题,更是最具挑战性的科学命题之一。对脑认知功能的研究有两条途径:一是自上而下的还原论,从宏观的脑区到介观的神经环路、神经网络,再到微观的蛋白质、基因,追踪认知的生物学基础;另一条是自下而上的演生论,从信号到符号、编码,再到图像、概念,最后到情感、意识和行为,探求认知的机理。这两条途径近年来都取得了重大进展。许多发达国家都在制定“脑研究计划”,我国也在酝酿类似计划。我国的研究计划除了研究脑结构和功能外,还将其与人工智能和神经系统疾病的防治紧密结合。这是非常符合科学规律的选择,因为脑认知和人工智能是密切相关的两个学科,在很多方面可以互相借鉴,实现深度交叉融合。

  (作者为中国科学院院士、中国科学院物理研究所研究员)

 
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