白春禮:世界科技前沿發展態勢

發佈時間:2020-12-26來源: 世界科技前沿發展態勢

2020年12月26日,全國人大常委會委員長慄戰書主持舉行十三屆全國人大常委會專題講座第二十一講。中國科學院院士、中國科學院原院長、全國人大民族委員會主任委員白春禮作了題爲《世界科技前沿發展態勢》的講座,內容如下。


近代科學誕生以來,已經發生了5次科技革命,對人類社會的發展進程產生了深遠的、革命性的影響,從根本上改變了全球政治經濟格局。當前,面對百年未有之大變局,科技創新已成爲影響和改變世界經濟版圖的關鍵變量。在新一輪科技革命和產業變革的重大歷史機遇期,誰抓住了這一戰略機遇,就能站在世界發展的潮頭,將發展主動權掌握在自己手裏。


習近平總書記在今年9月11日的科學家座談會上要求我們,“不斷向科學技術廣度和深度進軍”。科學技術的廣度和深度,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徵。愛因斯坦也曾預言:“未來科學的發展,無非是繼續向宏觀世界和微觀世界進軍。”


宏觀世界大至天體運行、星系演化、宇宙起源,微觀世界小至基因編輯、粒子結構、量子調控,都是當前世界科技發展的最前沿,而宏觀和微觀世界的科學研究成果,又會深刻影響和有力推動事關人類生存與發展的科技進步。


我的報告重點從宏觀、微觀、中觀三個層面,介紹當前最新科技前沿和發展態勢。


一、向宏觀拓展:追尋宇宙起源演化的腳步


探究宇宙的本質,既是一個古老的話題,又是當代科技的重要前沿。早在2000多年前,偉大詩人屈原就曾在《天問》中對宇宙發出疑問:“天何所沓?十二焉分?日月安屬?列星安陳?”直到文藝復興時期發明瞭望遠鏡,人類才逐步打開了科學認識、深入研究宇宙的大門。射電望遠鏡的出現,讓人類觀測宇宙的尺度拓展到150億光年左右的時空區域。隨着觀測手段日益豐富和技術不斷提高,對宇宙的研究也從定性描述發展到了精確時代,可以對宇宙物質組分的演化分佈進行更精確的計算和分析。


當前,宏觀宇宙學的研究焦點主要是“兩暗一黑三起源”,其中“兩暗”是指暗物質、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。這些方面一旦取得重大突破,就將使人類對宇宙的認識實現重大飛躍,可能引發新的物理學革命。





(一)暗物質暗能量研究成爲各國關注焦點


20世紀20年代,美國科學家哈勃發現了紅移現象,說明宇宙正在膨脹。之後,又進一步發現宇宙在加速膨脹。引起宇宙加速膨脹的主要原因,主流觀點認爲,在宇宙可觀測到的物質之外,還存在暗物質、暗能量。宇宙中可見物質僅佔4.9%,而暗物質佔到26.8%,暗能量佔到68.3%。暗物質不發光,不發出電磁波,從來沒有被直接“看”到過。暗物質和暗能量,被稱爲是21世紀物理學的兩朵新“烏雲”,成爲當前研究的熱點,世界科技大國都在積極佈局開展這方面的研究和探測。


探測暗物質的方式主要分爲三類: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存在的證據。2008年美國發射了費米太空望遠鏡,探測暗物質就是其重要任務之一。2011年,美國奮進號航天飛機最後一次飛行任務,專門爲國際空間站運送阿爾法磁譜儀,主要任務也是探測暗物質、反物質和宇宙射線。


2015年,中科院成功研製發射了“悟空號”暗物質粒子探測衛星,搭載了目前國際上最高分辨、最低本底的空間高能粒子望遠鏡,比阿爾法磁譜儀和費米太空望遠鏡觀測能量上限高10倍。目前悟空號已經服役5年,獲得了國際上精度最高的電子宇宙射線探測結果,發現能譜上存在一處新的結構可能與暗物質有關,一旦被後續數據確認,將是天體物理領域的突破性發現。今年,由中科院科研人員參與的國際上最大規模的星系巡天項目——深場重子聲波振盪光譜巡天(eBOSS),成功測量了宇宙背景膨脹及結構增長率,這也是迄今爲止依託星系巡天得到的最強暗能量觀測證據。





(二)黑洞研究打開宇宙和天體起源的新視野


黑洞是密度極大體積極小的天體,具有強大的引力,連光都無法逃脫。1964年,人類用觀測方法發現了第一顆恆星級黑洞(註釋1)。之後,科學家又陸續發現了更多的黑洞。2015年,由中國科學家領銜的國際研究小組宣佈,發現了一個距地球128億光年、質量爲太陽120億倍的超大質量黑洞,這是已知最大質量的黑洞。


2019年4月,分佈在全球8個不同地區的射電望遠鏡組成的觀測陣列網絡,經過近2年觀測和後期海量數據分析處理,全球六地同步直播發布了距離地球5500萬光年、質量爲太陽65億倍黑洞的照片,這是人類首次看到黑洞的“面貌”,引起社會廣泛關注,我國天文學家也參與這項研究和觀測工作。


2019年11月,中科院國家天文臺研究團隊依託我國自主研製的郭守敬望遠鏡(LAMOST),發現了一個迄今爲止質量最大的恆星級黑洞,並提供了一種利用LAMOST巡天優勢尋找黑洞的新方法。


對黑洞的形成、性質、結構及其演化規律進行研究,對於更深入認識宇宙的演化具有重要的意義。國際上很多重要的天文設施,如美國激光干涉引力波天文臺(LIGO)、意大利“室女座”(Virgo)引力波天文臺等,都把探測研究黑洞作爲一項重要任務。今年的諾貝爾物理學獎就頒發給了關於黑洞的一項研究工作,讓人們的目光又一次聚焦黑洞研究。


目前,中國科學院計劃在2021年前後發射具有高靈敏度加大視場特性的“愛因斯坦探針”衛星,核心科學目標就是探索黑洞等緻密天體及沉睡中的黑洞。此外,我國還將實施“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成果。





(三)引力波開闢了探究宇宙起源的新途徑


探索宇宙演化和宇宙結構起源的過程是一項長期性、基礎性任務。長久以來,科學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,愛因斯坦就基於廣義相對論預言了引力波的存在,但直到2015年,美國激光干涉儀(LIGO)才探測到引力波信號,標誌着引力波天文時代的開啓,爲研究宇宙起源與演化開闢了新的途徑。LIGO項目和發現引力波成果獲得了2017年的諾貝爾物理學獎,並在全球興起了引力波探測熱潮,如歐盟實施了歐洲空間引力波計劃(eLISA),美國推出“後愛因斯坦計劃”(BBO計劃),日本啓動實施DECIGO計劃等。今年9月發現的首箇中等質量黑洞,就是藉助引力波探測取得的最新成果。


習近平總書記對引力波的研究十分關注,曾作出重要批示。我國近年來先後啓動了“太極計劃”“天琴計劃”,目前正在建設的阿里原初引力波觀測站,主要也是用於探測原初引力波,預計將於2021年給出北天最精確的宇宙微波背景輻射極化天圖。





(四)深空探測成爲科技競爭的制高點


各航天大國積極開展載人航天、月球與深空探測等重大航天工程,在全球範圍內掀起新一輪空間探索熱潮。比如,美國的“勇氣號”登陸火星,朱諾探測器抵達木星,“旅行者1號”飛出太陽系,歐洲空間局的“菲萊”着陸器登上彗星。日本的隼鳥一號探測器完成人類首次將小行星樣本帶回地球;隼鳥二號在“龍宮”小行星上投放了着陸器,並把採集的密封在返回艙中的首個來自小行星的地下物質樣本拋到澳大利亞南部沙漠地帶的伍麥拉火箭試驗場。在今年,阿聯酋“希望號”、中國的“天問一號”、美國“毅力號”先後奔赴火星開展探測。我國的嫦娥探月工程也取得一系列重要進展,去年,“嫦娥四號”成爲世界首個在月球背面軟着陸和巡視探測的航天器,最近剛剛發射的“嫦娥五號”,是人類時隔44年再一次採集月球樣品並帶回地球。


圍繞深空探測和研究,一批大科學裝置發揮了重要作用。2019年,美國的哈勃太空望遠鏡公佈了最新的宇宙照片“哈勃遺產場”(HLF),這是迄今爲止最完整、最全面的宇宙圖譜,記錄了從宇宙大爆炸後5億年到當代宇宙不同時期約265000個星系,其中有些已至少133億歲“高齡”,展現了一部壯麗的宇宙星系演化史。


2016年,由中科院建設運行的500米口徑球面射電望遠鏡(FAST)——“中國天眼”正式啓用。這是目前世界上最大單口徑、最靈敏的射電望遠鏡,接收面積達到25萬平方米(相當於30個足球場),靈敏度是第二名的單口徑射電望遠鏡的2.5倍,將在未來10年內保持世界領先地位。目前已經發現了超過240顆脈衝星,近期在快速射電暴的研究中取得了重要成果。


一批性能更爲先進的大科學裝置正在加快建設。如,多國正在共同建設平方公里陣列射電望遠鏡(SKA),由位於澳大利亞西部的低頻陣列和位於南非的中頻陣列兩部分組成,接收面積約1平方公里,這是人類有史以來建造的最大的天文裝置。預計2030年前後投入使用,將開闢人類認識宇宙的新紀元。我國也是SKA的創始成員國之一,積極參與承擔了反射面天線、低頻孔徑陣列、信號與數據傳輸、科學數據處理、中頻孔徑陣列等建設和研究工作。


二、向微觀深入:探究物質世界和生命的終極奧祕


從微觀結構探究物質世界和生命的本質及運行活動規律,是世界科技前沿的另一個發展方向。從17世紀開始,隨着顯微鏡、光譜分析、X射線、加速器、核磁共振等儀器和方法的出現,讓科學家可以探索和解釋越來越深層的物質結構和物理規律。原子內部的電子、質子、中子以及多種基本粒子相繼被發現。量子力學的發展讓科學家可以對基本粒子作出精確的描述。在生命科學方面,1953年,沃森和克里克發現了DNA雙螺旋的結構,開啓了分子生物學時代,對生命體的研究也進入到分子層次。





(一)對微觀粒子及其新物態的研究不斷深入


在粒子物理學裏,標準模型描述了強力、弱力及電磁力這三種基本力,及組成所有物質的基本粒子,而且能夠對實驗進行精確預言,並接受實驗的精確檢驗。2013年,科學家依靠大型強子對撞機(LHC)發現了希格斯粒子,完成了標準粒子模型確認工作的最後一環,由此,標準粒子模型預言的61種基本粒子已經全部被發現。


粒子標準模型取得了巨大成功,是人類認識微觀世界的一個重要里程碑,多次諾貝爾物理獎授予了標準模型的相關研究,也推動了天體物理、宇宙學和核物理等學科的重大發展,誕生了新的交叉學科如粒子宇宙學、高能天體物理學等。


中科院科學家利用大亞灣中微子實驗裝置,發現了一種新的中微子振盪模式,被認爲是該領域最重要的突破之一。該項成果獲得了國家自然科學一等獎,以及國際“基礎物理學突破獎”。近日,中科院微尺度國家研究中心發現了標準模型以外的一種全新的自旋-物質相互作用方式,這是一種與現有標準模型框架下已知的相互作用都不相同的相互作用形式,可以說是標準模型之外的全新物理,爲研究暗物質打開了一個全新的窗口。





(二)量子調控成爲當前物質科學與信息技術的重要前沿


理論和實驗手段的進步,已經可以讓科學家能夠觀察和定位單個原子,且在低溫下可以利用探針尖端精確操縱原子。微觀物質結構研究開始從“觀測時代”走向“調控時代”,也爲能源、材料、信息等產業發展提供新的理論基礎和技術手段。2012年,諾貝爾物理學獎就授予了測量和操縱單個量子系統的突破性試驗方法。


我國在這一領域具有很強的理論和技術儲備,取得了一批重大研究成果。比如,鐵基高溫超導、多光子糾纏、量子反常霍爾效應等,這3項成果都獲得了國家自然科學一等獎。此外,我國科學家在拓撲絕緣體、外爾費米子、馬約拉納束縛態等方面,也取得了具有世界影響的重大成果。


作爲量子調控領域最重要的應用方向,量子通信和量子計算是當前的研究熱點,國際競爭非常激烈。2018年,歐盟啓動了“量子科技旗艦項目計劃”,美國正式頒佈了“國家量子計劃法”,日本也發佈了“量子飛躍旗艦計劃”。美國白宮又於今年2月發佈了《美國量子網絡戰略構想》、10月發佈了《國家量子信息科學戰略投入的量子前沿報告》。


我國目前在量子密鑰通信方面處於世界前沿地位。2016年,中科院成功發射了世界首顆量子通信科學實驗衛星“墨子號”,在國際上首次實現千公里級星地雙向量子密鑰傳送和量子隱形傳態,併成功實現洲際量子密鑰保密通信,爲構建覆蓋全球的量子密鑰保密通信網絡奠定了堅實的基礎。中科院牽頭建設的“京滬幹線”量子密鑰通信骨幹網,已於2017年正式開通,這是世界上第一條量子密鑰通信保密幹線,標誌着我國已構建出全球首個天地一體化廣域量子密鑰通信網絡雛形。


量子計算也是各國高度關注的戰略制高點。一臺操縱50個微觀粒子的量子計算機,對特定問題的處理能力可超過目前運行能力最強的超級計算機,相比經典計算機實現指數級別的加速,具有重大社會和經濟價值,如密碼破譯、大數據優化、材料設計、藥物分析等。


2017年,中國科大的研究團隊構建了世界首臺超越早期經典計算機(ENIAC)的光量子計算原型機。2019年,谷歌宣佈開發出了54量子比特的超導量子芯片,對一個電路採樣一百萬次只需200秒,而當時運算能力最強的經典計算機Summit需要一萬年,率先實現了“量子優越性”(指當可以精確操縱的量子比特超過一定數目時,量子計算機在特定任務上的計算能力就能遠超經典計算機)。剛剛發佈的消息,中國科大與中科院上海微系統所、國家並行計算機工程技術研究中心等合作,構建了76個光子的量子計算原型機“九章”,實現了具有實用前景的“高斯玻色取樣”任務的快速求解,比目前最快的超級計算機快一百萬億倍。目前,谷歌、微軟、IBM等跨國企業都在這方面投入巨資,可以預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調控階段


隨着對基因、細胞、組織等的多尺度研究不斷深入,以及基因測序、基因編輯、冷凍電鏡等新技術的進步,大大提升了生物大分子結構研究的效率,生命科學領域研究正在從“定性觀察描述”向“定量檢測解析”發展,並逐步走向“預測編程”和“調控再造”。分子生物學、基因組學、合成生物學等領域成果不斷涌現,全面提升了人類對生命的認知、調控和改造能力。


基因組學是生命科學最前沿、影響最廣的領域之一。人體細胞DNA分子大約有10萬個基因,由這些基因控制10萬種人體蛋白質的合成。基因工程就是要尋找目的基因,通過對其進行剪切、剔除、連接、重組等操作,實現對生命體的調控。近年來,基因測序成本以超過信息領域摩爾定律的速度下降,2003年全球完成人類基因組測序花了13年、耗資30億美元,目前只要幾百美元、數小時就可完成,這對基因組研究、疾病研究、藥物研發、生物育種等具有巨大的推動作用。


基因編輯技術有人將其比喻爲“上帝的手術刀”,就是對DNA序列進行精準的“修剪、切斷、替換或添加”。自上世紀80年代出現以來,基因編輯技術不斷改進和發展,今年獲得諾貝爾獎化學獎的CRISPR/Cas9技術,已成爲基因編輯最有效、最便捷的工具,廣泛應用於生命科學研究和臨牀研究。


合成生物學被譽爲是繼DNA雙螺旋結構和人類基因組測序之後的“第三次生物學革命”,也被認爲是改變世界的顛覆性技術。目前,科學家已經能夠設計多種基因控制模塊,組裝具有更復雜功能的生物系統,甚至創建出“新物種”。比如,利用合成生物學技術,可以培養出用於診斷早期癌症與糖尿病的細菌,合成出抗瘧藥物青蒿素、抗生素林可黴素等藥物,更簡單高效地生產生物燃料,很有可能引發相關領域的產業革命。


近期,谷歌DeepMind的AlphaFold算法在國際蛋白質結構預測競賽(CASP)上擊敗了所有的參賽選手,在原子水平上精確地基於氨基酸序列預測了蛋白質的3D結構,解決了困擾生物圈50年之久的“蛋白質摺疊問題”。傳統上基於X射線晶體學、核磁共振、冷凍電鏡等實驗技術解析蛋白質3D結構需要花費數年時間,而AlphaFold僅需數天時間。這一成果被Nature評價爲“可能改變一切”,對更好地理解人類生命形成機制、加快藥物發現速度、重大疾病治療等具有非常重要的意義。


三、科學技術廣泛應用和深刻影響到各個方面:推動經濟繁榮、造福人類


科技創新作爲引領發展的第一動力,已呈現出多點羣發突破態勢,推動人類活動範圍不斷擴展,信息傳遞和交換能力實現質的躍升,生命健康水平持續提升,都達到了前所未有的高度。深刻改變人類的工作方式、生活方式。





(一)信息科技成爲經濟、社會與生活發生深刻變革的主導力量


信息技術的飛速發展打破了空間限制,人與人、人與物的聯繫日趨緊密,我們正在進入一個“人—機—物”三元融合的萬物互聯時代。最近幾年,物聯網、雲計算、大數據、人工智能、區塊鏈等飛速發展和廣泛應用,引起了經濟社會各個方面的深刻變革。而且,信息技術的發展速度還在加快,新的技術、顛覆性技術還在持續不斷地涌現,持續推動經濟社會加速向數字化轉型。


一方面,以芯片和元器件、計算能力、通信技術爲核心的新一代信息技術正處在一個重要突破關口。硅基芯片和元器件是信息技術發展的基石,其製程工藝不斷提高,處理速度越來越快、存儲能力越來越強、能耗越來越低。目前已大規模應用的7納米手機芯片,集成了69億個晶體管;而5納米手機芯片可以集成300億個晶體管,去年已經開始試產;3納米的芯片也正在研發。圖形處理器、現場可編程門陣列、神經網絡芯片等也在加速發展。


另一方面,“互聯網+”“智能+”使經濟活動更加靈活、智慧,不斷催生出新業態、新模式,深刻改變人們生活、工作、學習和思維方式。從無人駕駛到智慧交通,從直播帶貨到智慧物流,從5G通訊到數字貨幣,從網絡扶貧到數字鄉村,數字經濟加速發展,爲經濟發展打開新的空間,爲產業轉型升級提供新的動力。各種智能終端、可穿戴設備不斷推陳出新,遠程辦公、遠程教育、遠程醫療、無人酒店、無人超市、無人餐廳等飛速發展,推動經濟社會全方位數字化轉型。據統計,數字經濟在發達國家經濟中佔到60%以上,中國目前佔36.2%,對GDP增長的貢獻率達到67.7%。


以5G爲例,其數據速率是4G的百倍以上,下載一部高清電影只需幾秒鐘;且數據傳輸延遲在1毫秒以下,能夠支持在一平方公里內連接100萬臺設備,大約是4G的幾十到上百倍。由於這些明顯的技術優勢,5G可以隨時隨地實現萬物互聯,成爲數字經濟乃至數字社會的“神經系統”,並帶來一系列產業創新和巨大經濟及戰略利益。我國的華爲、中興等企業,在5G方面已擺脫了4G之前的跟跑狀態,目前在全球競爭中具有一定優勢。





(二)能源、材料、先進製造等領域技術加速進步


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、大規模儲能以及動力電池、智慧電網等方面,都取得了一批突破性進展,推動能源技術加速向綠色、低碳、安全、高效、智慧的方向轉型。比如,與直接燃燒相比,如果將煤炭轉化成油品,不僅會減少對環境的污染,還能大幅度提高煤炭的附加值。2018年,以中科院技術爲核心,全球單套規模最大的煤炭液化裝置、年產400萬噸煤制油工程成功投產,實現煤炭資源清潔高效轉化,拓寬我國油品供給渠道,保障能源供應安全,習近平總書記專門致信祝賀。


新材料領域正在向個性化、綠色化、複合化和多功能化的方向發展,金屬、陶瓷、高分子和複合材料快速進步;石墨烯、柔性顯示材料、仿生材料、超導材料、智能材料、拓撲材料等層出不窮。材料強度與韌性不斷強化,抗疲勞、耐高溫、耐高壓、耐腐蝕等性能進一步提高,爲製造業發展和極端環境作業提供了更加可靠的保證。比如,應對航天器與大氣層的高速摩擦產生的高溫,以及在太空中高真空、極高和極低溫度、各種高能帶電粒子等極端環境作業,對材料提出很高的要求。再如深海探測領域,中科院金屬所爲“奮鬥者”號球形載人艙研發的高強度、高韌性新型鈦合金——Ti62A,在搭載了3名潛航員的大尺寸下,還要承受超過110兆帕的壓力,相當於2000頭非洲象踩在一個人的背上,難度可想而知。


在先進製造領域,以智能感知、智能控制、自動化柔性化生產爲特徵的智能工廠大量涌現,3D、4D打印技術快速發展,先進機器人、工業互聯網技術廣泛應用於製造業,個性化訂製、柔性化生產、製造業服務化等,成爲新趨勢。比如,德國西門子安貝格電子工廠被稱爲全球最接近工業4.0的工廠,生產過程實現了從產品到製造全價值鏈的數字化,一條生產線一天可進行350次切換,能生產1000多種不同的產品,且產品的合格率高達99.9989%。





(三)生命健康和醫療衛生水平得到革命性飛躍


有人說21世紀是生命科學的世紀。在Science創刊125週年公佈的125個最具挑戰性的科學問題中,46%屬於生命科學領域。精準醫學、癌症治療、幹細胞和再生醫學、腦科學研究等是目前的前沿熱點方向。


生命科學研究新技術新方法加速走向臨牀應用,推動醫學走向“個性化精準診治”和“關口前移的健康醫學”新發展階段。2015年,美國政府提出“精準醫學計劃”,目標是“爲每個人量身定製醫療保健”,在世界範圍內掀起了精準醫學的熱潮。目前,精準醫療在癌症等重大疾病的預防和治療方面,取得了多項突破。美國《科學家雜誌》評選的2018年10大科技進展中,2項與精準醫學有關:一項是中科院的基於自組裝的DNA摺紙技術,構造出攜帶凝血酶的納米機器人系統,在遇到腫瘤特異蛋白時釋放出凝血酶,選擇性切斷血液供應來“餓死”腫瘤;另一項是通過人工智能處理海量數據,可發現醫生無法診斷的疾病模式。


幹細胞和再生醫學爲有效治療心血管疾病、糖尿病、神經退行性疾病、嚴重燒傷、脊髓損傷等難治癒疾病,提供了新的途徑,有望成爲繼藥物治療、手術治療後的第三種疾病治療途徑,引發新一輪醫學革命。比如,中科院基於幹細胞技術製備出引導脊髓組織損傷再生的生物材料,已開展修復脊髓損傷的大動物(狗)實驗168例,顯示出良好的臨牀前景,已經開始進入臨牀。2018年,中科院完成世界上首例臍帶間充質幹細胞複合膠原支架材料治療卵巢早衰臨牀研究,成功讓一名卵巢功能衰竭的患者誕下健康嬰兒。去年,中國完成首例基因編輯幹細胞治療艾滋病和白血病患者。


腦科學被看作是自然科學研究的“最後疆域”。主要科技大國都高度重視腦科學研究,美國、歐盟、日本等國相繼啓動了腦科學研究計劃,發起成立了國際大腦聯盟;我國也將“腦科學”研究納入到“科技創新2030——重大項目”。目前,科學家已經繪製出全新的人類大腦圖譜,是腦科學、認知科學、認知心理學等相關學科取得突破的關鍵,爲發展新一代神經及精神疾病的診斷、治療技術方法奠定了堅實的基礎。人腦重大疾病診治也取得重要進展,對帕金森、阿爾茨海默症、抑鬱症等重大疾病機理研究不斷深入,新的治療手段和藥物不斷涌現。中科院研發的抗阿爾茨海默症新藥“九期一”,已於2019年底正式上市,填補了該領域全球17年無新藥上市的空白。


生命健康領域的技術進步也極大提高了傳染病的預警、預防、診斷和治療水平。在此次抗擊新冠肺炎疫情中,我國科研人員快速分離鑑定出病毒毒株並與世界衛生組織共享了病毒全基因組序列,爲全球科學家開展藥物、疫苗、診斷研究提供了重要基礎,爲打贏疫情科技攻堅戰作出了重要貢獻。





(四)深海深地探測爲新的能源資源開發利用開闢了新途徑


在海洋研究與開發方面,關注的重點已從近海走向深海大洋,更加重視海洋資源的保護和開發利用。美國、法國、俄羅斯、日本已擁有6000米級深海載人潛水器;去年,美國的載人深潛器第二次突破10000米深度。我國的“蛟龍號”載人潛器在2012年突破了7000米深度,中科院自主研製全海深自主遙控潛水器“海鬥一號”,於今年5月9日至26日,在馬裏亞納海溝成功完成4次萬米下潛,連續下潛次數居世界前列,最大下潛深度10907米,使我國成爲繼日、美之後第三個擁有萬米級無人潛水器的國家。今年11月10號,中科院作爲主要單位參與研製的中國首艘萬米級載人潛水器“奮鬥者號”下潛深度達到10909米,在馬裏亞納海溝成功坐底,再一次刷新了中國載人深潛紀錄。


在地球探測方面,圍繞科學研究、資源開發利用、防災減災等目標,人類活動範圍不斷向地球深部拓展。人類地下建築的深度一般到百米量級,如世界上最深的地鐵(朝鮮平壤地鐵)建在地下200米左右,最深的海底隧道(日本的青函隧道)位於地底240米;核廢料的存儲深度一般在地下500-1000米的深度;我國在地下2400米建設的錦屏地下實驗室,是目前世界上岩石覆蓋最深的地下實驗室,用岩石屏蔽宇宙射線開展暗物質研究;世界上最深的金礦(南非姆波尼格金礦),深度達到4350米。再往深處走主要就是科學超深井鑽探項目,如美國聯合多國實施的大洋鑽探計劃,在各大洋完成過千個鑽孔,取芯深度最大超過9500米;2018年我國實施了全球首個鑽穿白堊系的科學鑽井,鑽探及取芯深度達到7018米;目前,世界上最深鑽井記錄還是前蘇聯在冷戰時期創造的科拉超深鑽孔,深度達12262米。總的來說,人類對我們賴以生存的地球瞭解還十分有限,直接探測深度還未突破地球最外層的地殼(平均厚度約17千米),探測的手段和能力還需不斷加強。


以上,我們從宏觀、微觀和中觀三個層面對科技創新前沿做了概括梳理。隨着科學技術的前沿不斷向深度和廣度進軍,人類對自然規律的認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展環境的理解也在不斷深化,從而讓我們更好地認識自然、理解自然、改造自然,推動人類社會和文明不斷向前邁進。


四、把握機遇搶佔先機,加快實現科技自立自強


黨的十八大以來,我國科技創新事業取得歷史性成就、發生歷史性變革,重大創新成果競相涌現,一些前沿領域開始進入並跑、領跑階段,科技實力正在從量的積累邁向質的飛躍,從點的突破邁向系統能力提升。


2019年,我國的研發經費支出達到2.21萬億元,研發強度約爲2.23%;研發人員全時當量達到480萬人年,在校大學生人數達4002萬,創新人才規模穩居世界首位;SCI論文數量和高被引論文數量都位居世界第2位,國內發明專利申請量和PCT專利申請量都位居世界首位,成爲全球科技創新的重要貢獻者。在衡量高質量科研產出的自然指數(NatureIndex)排名中,中國位居世界第二位,中科院已連續8年在全球科教機構中位列首位。


我國科技創新這些年的進展和成就,在國際上幾個比較有影響的競爭力指數排名中,也得到了體現。比如,在世界知識產權組織等機構發佈的2019世界創新指數排名,和瑞士洛桑學院公佈的2019年世界競爭力年鑑中,中國都排在第14位;世界經濟論壇發佈的2019年全球競爭力報告中,中國排在第28位;科技部公佈的2019年國家創新能力排名中,我國排在第15位。這些數據反映出我國創新型國家建設取得顯著成效,也增強了我們科技事業發展的信心和決心。


但客觀來講,我國的科技創新水平與國家經濟社會發展的要求相比,與世界科技先進水平特別是與美國相比,還有較大差距。


比如基礎研究方面,我國SCI科技論文篇均被引次數只有10次/篇左右,低於世界篇均被引次數(12.61次/篇);在國際最有影響的諾貝爾科學獎獲獎者中,美國有300多位,日本21世紀以來已經有19位獲獎,而我國只有1位(不包括華裔)。


在戰略高技術方面,我們還面臨很多關鍵核心技術的制約。我國芯片進口額已經連續多年超過石油,2019年超過3000億美元;操作系統、高端光刻機仍被國外公司壟斷,90%以上傳感器來自國外。高檔數控機牀、高檔儀器裝備等關鍵件精加工生產線的製造及檢測設備,95%以上依賴進口。130多種關鍵基礎材料,32%在我國仍爲空白、52%依賴進口。高端醫療儀器設備、高端醫用試劑、重大疾病的原研藥、特效藥基本依賴進口。這些方面的問題一旦被“卡脖子”,就會威脅到整個產業鏈和供應鏈的安全。


這裏我舉個光刻機的例子。光刻機是集成電路製造最重要的核心裝備,是人類有史以來最精密複雜的設備之一,與航空發動機共同被譽爲人類工業皇冠上的明珠,同時也是集成電路產業鏈上我國與國際先進水平差距最大的環節。


光刻機的基本工作原理主要是通過光學系統把事先製備在掩模上的圖形以微縮的方式,利用光化學反應成像轉移到晶圓上的過程,有點類似照相機照相。照相機是把物體和人像印在底片上,而光刻則是要把電路圖印在硅片上。光刻技術水平直接決定了集成電路的工藝節點。比如華爲採用5納米工藝製程的麒麟9000芯片,在指甲蓋大小的空間上集成了153億個晶體管。


雖然基本原理簡單,但實現起來卻非常困難,特別是高端的極紫外光刻機,已接近人類超精密製造的極限。比如,極紫外光源是用激光轟擊金屬液滴產生的等離子體光源,要能實現數萬瓦級大功率CO2激光的高穩定輸出、每秒數萬次的微米級激光精準打靶。曝光的光學系統採用多層膜反射式結構,反射鏡表面拋光的粗糙度要求相當於在接近中國國土的面積上,起伏小於0.4mm;大口徑多層膜膜厚分佈控制精度要求達到原子量級,相當於在整個中國鋪上一層半米厚的柏油,誤差不超過一張A4紙的厚度;反射光學元件支撐穩定性要求達到亞納米量級,相當於從地球射向月球一束光,在月球表面的指向穩定在10cm的範圍內。此外,由於13.5nm的光會被空氣在內的幾乎所有材料吸收,所以需要在龐大的光刻機內部實現十億分之一乃至萬億分之一量級的接近極限清潔的真空環境。


目前只有荷蘭的ASML公司能夠生產極紫外光刻機,但由於其中用到大量的美國技術和零部件,所以其出口受到美國的長臂管轄限制。華爲等國內領先的芯片設計企業可以設計出7nm甚至5nm的芯片,但是離開了極紫外光刻機,高端芯片就徹底斷供了。


在國家重大科技專項的支持下,我們國家在光刻機領域取得長足進步,目前已在開展面向28nm工藝節點的193nm波長的光刻機研製攻關。但在極紫外光刻機方面,我們還有很長的路要走。中國科學院已部署新技術路線光刻機的研製。


總體來看,我國科技創新取得了歷史性成就,已經具備良好的發展基礎和條件,發展潛力很大,發展態勢良好。對此,我們要有充分的創新自信,有決心有信心通過不懈努力,充分發揮好我們的已有基礎和優勢,取得更大的發展成就。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,找出制約發展的關鍵問題,找準突破口,揚長避短,因勢利導,採取更有針對性的措施,在發展的過程中逐步加以解決。


當前,我國已轉向高質量發展新階段。黨的十九屆五中全會強調,要堅持創新在我國現代化建設全局中的核心地位,把科技自立自強作爲國家發展的戰略支撐,面向世界科技前沿、面向經濟主戰場、面向國家重大需求、面向人民生命健康,深入實施科教興國戰略、人才強國戰略、創新驅動發展戰略,完善國家創新體系,加快建設科技強國。這充分體現出以習近平同志爲核心的黨中央,對科技創新工作的極端重視,凸顯了以改革促創新、以創新促發展的重要性和緊迫性。


作者:白春禮,中國科學院院士、中國科學院原院長

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