普及科學知識 弘揚科學精神 傳播科學思想 倡導科學方法
——世界科技前沿發展態勢

中國科學院院士、中國科學院原院長 白春禮

近代科學誕生以來，一共發生過五次科技革命，對人類社會的發展進程產生了深遠的、革命性的影響。當前，面對百年未有之大變局，科技創新已成為影響和改變世界經濟版圖的關鍵變量。

習近平總書記在2020 年9 月11 日的科學家座談會上強調要不斷向科學技術廣度和深度進軍?？茖W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征。愛因斯坦也曾講過，未來科學的發展，無非是繼續向宏觀世界和微觀世界進軍。從科學家的角度看，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構、量子調控、分子結構，都是當前世界科技發展的最前沿，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人類生存與發展的科技進步。

一、向宏觀拓展：追尋宇宙起源演化的腳步

探究宇宙的本質，是一個古老的話題，也是當前科技的重要前沿。當前，宏觀宇宙學研究的前沿主要是“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。

（一）暗物質暗能量研究成為各國關注焦點。主流觀點認為，在宇宙可觀測到的物質之外，還存在暗物質、暗能量。今年10月份，美國天體物理學家給出了暗物質、暗能量最精確的計算。認為宇宙當中66.2%是暗能量，其余33.8%是暗物質和物質的組合，宇宙中可見的物質僅占大約5%。因此，暗物質、暗能量被稱為21世紀物理學的兩朵烏云，成為當前研究的熱點，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。

（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、結構及其演化規律進行研究，對于更深入認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繞運行碰撞的時候產生引力波，黑洞對其他恒星產生引力效應等方法來間接研究黑洞。目前，我國發射了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，愛因斯坦就基于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，科學家發布了迄今為止最大的引力波事件目錄，目前已經探測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，實現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的全部性能驗證，并率先實現了我國兩種無拖曳控制技術的突破。

（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，一批大科學裝置發揮了重要作用。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”正式啟用。目前已經發現了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裝置正在加快建設。

二、向微觀深入：探究物質世界和生命的終極奧秘

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，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。1953 年，沃森和克里克發現了DNA 雙螺旋的結構，開啟了分子生物學時代。

（一）對微觀粒子及其新物態的研究不斷深入。理論物理學家研究構成世間萬物的最基本的粒子時，提出一個標準模型，預言61種基本粒子和強力、弱力、電磁力構成了世間萬物。到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后一環，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，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蕩模式，被認為是該領域最重要的突破之一。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，為研究暗物質打開了一個全新的窗口。

（二）量子調控成為當前物質科學與信息技術的重要前沿。量子的發展可以讓科學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，可以使微觀物質結構研究開始從“觀測時代”走向“調控時代”，也為能源、材料、信息等產業發展提供新的理論基礎和技術手段。

我國在這方面具有很好的理論和技術儲備，也設立了很多項目，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，如美國白宮發布了《美國量子網絡戰略構想》《國家量子信息科學戰略投入的量子前沿報告》。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，并成功實現洲際量子密鑰保密通信。中科院牽頭建設的“京滬干線”量子密鑰通信骨干網，是世界上第一條量子密鑰通信保密干線，標志著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。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。目前，中國科大與中科院上海微系統所、國家并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”，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?；蚪M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?；蚓庉嫾夹g有人將其比喻為“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，2020年獲得諾貝爾獎化學獎的CRISPR/Cas9技術，已成為基因編輯最有效、最便捷的工具，廣泛應用于生命科學研究和臨床研究。

人工智能是當前發展的一個前沿，在生命科學中也不斷取得突破。如何從蛋白質一級結構預測三級結構是科學家長期以來的目標，研究了50 年還沒有很好的結果。人工智能不但把所有的蛋白質結構預測出來，準確度非常高?？梢灶A見，這些成果除可以幫助攻克生命科學瓶頸外，也將在解決可持續性糧食安全等重要問題上開辟新機。人工智能在醫學治療、診治治療護理、健康管理等環節實現了臨床應用，利用人工智能影像輔助診斷可以幫助醫生提高癌癥、心臟疾病的診斷準確率。醫療人工智能可以通過學習海量的醫學數據和專業知識，模擬醫生的診斷方式，短時間內提供出高效精準的診斷結果和個性化的治療方案。

合成生物學被譽為是繼DNA 雙螺旋結構和人類基因組測序之后的“第三次生物學革命”，也被認為是改變世界的顛覆性技術。利用合成生物學技術可以來培養出用于診斷早期癌癥和糖尿病的細菌。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”。

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

對宏觀世界、微觀世界規律研究的不斷深入，也反過來推動人類對認識世界、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生活學習方式。

（一）信息科技成為經濟、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時代。最近幾年，物聯網、云計算、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。

芯片和元器件、計算能力、通信技術正處在一個重要突破關口。現在7 納米的手機芯片廣泛適應，5 納米的手機芯片可以集成300 億個晶體管開始試產，3 納米的芯片正在研發。另外，“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。據統計，數字經濟在發達國家經濟中占到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。

新材料領域正在向個性化、綠色化、復合化和多功能化的方向發展，金屬、陶瓷、高分子和復合材料快速進步，先進機器人、工業互聯網技術廣泛應用成為新趨勢。

（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。Science創刊125周年時公布的125個最具挑戰性的科學問題中，46%屬于生命科學。精準醫學、癌癥治療、干細胞和再生醫學、腦科學研究等是目前的重點。干細胞和再生醫學將來是發展重要方向。為有效治療心血管疾病、糖尿病、神經退行性疾病、嚴重燒傷、脊髓損傷等難治愈疾病，提供了新的途徑，有望成為繼藥物治療、手術治療后的第三種疾病治療途徑，引發新一輪醫學革命。

腦科學被看作是自然科學研究的“最后疆域”。美國、歐盟、日本等相繼啟動腦科學研究計劃，發起成立了國際大腦聯盟；我國也將“腦科學”研究納入“科技創新2030——重大項目”。

（四）深海深地探測為新的能源資源開發利用開辟了新途徑。海洋探測我國已經達到1萬米，90%的器件實現國產化，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，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新前沿做了概括梳理。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。

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，采取更有針對性的舉措，在發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。在以習近平同志為核心的黨中央的堅強領導下，我國科技界將繼續升華改造、攻堅克難、勇攀高峰，實現高水平的科技自立自強，到2035 年進入創新國家的前列，到2050 年建成世界科技強國。