当今世界科技前沿发展新态势

作者: 发布时间:2021-01-18 09:23

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    2020年12月26日下午,白春礼(中国科学院院士、中国科学院原院长、全国人大民族委员会主任委员作了题为《世界科技前沿发展态势》的讲座。


白春礼院士说,近代科学诞生以来,已经发生了5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,从根本上改变了全球政治经济格局。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。在新一轮科技革命和产业变革的重大历史机遇期,谁抓住了这一战略机遇,就能站在世界发展的潮头,将发展主动权掌握在自己手里。

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白春礼院士的报告重点从宏观、微观、中观三个层面,介绍当前最新科技前沿和发展态势。

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从宏观层面看

当前,宏观宇宙学的研究焦点主要是“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。这些方面一旦取得重大突破,就将使人类对宇宙的认识实现重大飞跃,可能引发新的物理学革命。


世界各国对“暗物质、暗能量”的研究

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;

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。


黑洞研究将打开宇宙和天体起源的新视野

研究黑洞的形成、性质、结构及其演化规律,对于更深入认识宇宙的演化具有重要的意义。今年的诺贝尔物理学奖就颁发给了关于黑洞的一项研究工作,让人们的目光又一次聚焦黑洞研究。国际上很多重要的天文设施,如美国激光干涉引力波天文台(LIGO)、意大利“室女座”(Virgo)引力波天文台等,都把探测研究黑洞作为一项重要任务。


引力波开辟了探究宇宙起源的新途径


爱因斯坦就基于广义相对论预言了引力波的存在,美国激光干涉仪(LIGO)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。


深空探测成为科技竞争的制高点

一批性能更为先进的大科学装置正在加快建设。如,多国正在共同建设平方公里阵列射电望远镜(SKA),由位于澳大利亚西部的低频阵列和位于南非的中频阵列两部分组成,接收面积约1平方公里,这是人类有史以来建造的最大的天文装置。预计2030年前后投入使用,将开辟人类认识宇宙的新纪元。我国也是SKA的创始成员国之一,积极参与承担了反射面天线、低频孔径阵列、信号与数据传输、科学数据处理、中频孔径阵列等建设和研究工作。


向微观深入


探究物质世界和生命的终极奥秘

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。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。

量子力学的发展让科学家可以对基本粒子作出精确的描述。

在生命科学方面,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,对生命体的研究也进入到分子层次。


对微观粒子及其新物态的研究


在粒子物理学里,标准模型描述了强力、弱力及电磁力这三种基本力,及组成所有物质的基本粒子,而且能够对实验进行精确预言,并接受实验的精确检验。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。


量子调控


理论和实验手段的进步,已经可以让科学家能够观察和定位单个原子,且在低温下可以利用探针尖端精确操纵原子。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。诺贝尔物理学奖就授予了测量和操纵单个量子系统的突破性试验方法。

作为量子调控领域最重要的应用方向,量子通信和量子计算是当前的研究热点,国际竞争非常激烈。

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。


对生物大分子和基因的研究

随着对基因、细胞、组织等的多尺度研究不断深入,以及基因测序、基因编辑、冷冻电镜等新技术的进步,大大提升了生物大分子结构研究的效率,生命科学领域研究正在从“定性观察描述”向“定量检测解析”发展,并逐步走向“预测编程”和“调控再造”。分子生物学、基因组学、合成生物学等领域成果不断涌现,全面提升了人类对生命的认知、调控和改造能力。


推动经济繁荣、造福人类

科技创新推动人类活动范围不断扩展,信息传递和交换能力实现质的跃升,生命健康水平持续提升,都达到了前所未有的高度。深刻改变人类的工作方式、生活方式。


信息科技


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。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。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、通信技术为核心的新一代信息技术正处在一个重要突破关口。硅基芯片和元器件是信息技术发展的基石,其制程工艺不断提高,处理速度越来越快、存储能力越来越强、能耗越来越低。

“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,深刻改变人们生活、工作、学习和思维方式。


新能源、新材料、先进制造


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;石墨烯、柔性显示材料、仿生材料、超导材料、智能材料、拓扑材料等层出不穷。材料强度与韧性不断强化,抗疲劳、耐高温、耐高压、耐腐蚀等性能进一步提高,为制造业发展和极端环境作业提供了更加可靠的保证。比如,应对航天器与大气层的高速摩擦产生的高温,以及在太空中高真空、极高和极低温度、各种高能带电粒子等极端环境作业,对材料提出很高的要求。

在先进制造领域,以智能感知、智能控制、自动化柔性化生产为特征的智能工厂大量涌现,3D、4D打印技术快速发展,先进机器人、工业互联网技术广泛应用于制造业,个性化订制、柔性化生产、制造业服务化等,成为新趋势


生命健康和医疗

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前沿热点方向。

“为每个人量身定制医疗保健”,在世界范围内掀起了精准医学的热潮。


脑科学被看作是自然科学研究的“最后疆域”

生命健康领域的技术进步也极大提高了传染病的预警、预防、诊断和治疗水平。


深海、深地探测

人类对我们赖以生存的地球了解还十分有限,直接探测深度还未突破地球最外层的地壳(平均厚度约17千米),探测的手段和能力还需不断加强。


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。随着科学技术的前沿不断向深度和广度进军,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。



白春礼

1953年9月出生于辽宁丹东,化学家和纳米科技专家,中国科学院院士、发展中国家科学院院士、美国国家科学院外籍院士、美国艺术与科学院外籍院士、英国皇家学会外籍院士 ,“一带一路”国际科学组织联盟(ANSO)首任主席。 

现任第十三届全国人大民族委员会主任委员。

于1985年从中国科学院化学研究所博士毕业后进入美国加州理工学院做博士后和访问学者。1987年回国后在中国科学院化学研究所工作,先后担任助理研究员、副研究员、研究员、STM实验室主任。1992年至1996年担任中国科学院化学研究所副所长、党委委员。1996年至2004年担任中国科学院副院长、党组成员  。1996年至2006年兼任中国青年科技工作者协会会长,第25、26届中国化学会理事长。1997年当选为中国科学院院士、第三世界科学院院士,同年开始历任中共十五大、十六大、十七大、十八大、十九大代表。2001年兼任中国科学院研究生院院长。2004年至2011年担任中国科学院常务副院长、党组副书记(正部长级)。2011年2020年担任中国科学院院长、党组书记、学部主席团执行主席。2012年兼任中国科学院大学校长。2012年当选发展中国家科学院院长。2014年当选为英国皇家学会外籍会员。2019年入选“中国海归70年70人”榜单


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