提升思維層次

導讀

種子撒下去了，就必然會有收穫。

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https://www.ixigua.com/6927098035042255368

本影片釋出於2021年2月10日，播放量已超四百萬

精彩呈現：

最近，新華社的《環球》雜誌約我向讀者回答一個問題：“2021年，科學領域可能產生哪些新突破？”

我的第一反應是：“這個問題太難了，如果是能預測的，就不叫科學突破了。”

不過，雖然我無法預測，也許還是可以向大家介紹一些值得關注的方向。

例如，最可能取得突破的，就是與新冠病毒有關的研究。無論是疫苗還是治療方法，還是病毒溯源（《新冠病毒傳播的可能路徑：自然宿主–環境介質–人 | 中國工程院院刊》），在各國大量的資源投入之下，都可能取得不少成果。不過與此同時，病毒也在迅速進化。所以，我們離打贏跟病毒的戰鬥還有很遠。

實際上，科學的各個領域在突破的可預測性方面，有兩個極端。

一個極端，是完全無法預測。例如數學中的哥德巴赫猜想、黎曼猜想（《理解黎曼猜想（六）朝聞道 | 袁嵐峰》）、P對NP問題等傳統難題，因為它們完全依賴於研究者的靈光一閃，沒人知道它們什麼時候能突破。

黎曼猜想：黎曼ζ函式的所有非平凡零點的實部都等於1/2

P對NP問題的兩種可能

另一個極端，是有明確的時間表。例如可控核聚變，許多人都聽說過“可控核聚變永遠需要50年”這個笑話，幾十年前就說需要50年，現在仍然說需要50年。但實際上，現在這個50年不是個虛數了，而是個實數。

全球所有主要國家共同參與的重大專案國際熱核聚變實驗堆（ITER），2020年7月28日開始在法國組裝，預期將組裝到2025年12月。同時，中國聚變工程實驗堆（CFETR）也正在進行工程設計（《衝出太陽系的第一步 | 袁嵐峰》）。它們有非常明確的目標，就是在2050年左右建成示範的核聚變發電站，2070年左右建成有商業價值的核聚變發電站。你看，到2070年不正好是50年嗎？

中國磁約束聚變發展路線圖

介於這兩個極端之間的，是大部分科學領域。下面，我就來介紹一下我瞭解得相對比較多的領域，包括航天、量子資訊、粒子物理、宇宙學和人工智慧。

在2020年的火星探測視窗，共有阿聯酋、中國和美國向火星發射了探測器（《天問：火星與人類的未來 | 袁嵐峰》）。在2021年上半年，它們都將到達火星。

二十一世紀各年地火距離與探測任務（毛新願提供）

2021年除夕附近，中國的“天問一號”將進入火星軌道，這是最有趣的春節禮物。然後它會環繞火星飛行近3個月，在2021年5月擇機登陸火星。然後開出火星車，實現火星飆車的成就，即“繞落巡”三步走一次完成。

天問一號藝術示意圖。這次任務將綜合使用軌道器和著陸器/巡視器來研究這顆紅色星球（《中國首次火星探測任務即將展開，先來聽聽首席科學家的“劇透”》）

2021年2月9日，阿聯酋的“希望號”預計進入火星軌道。2月18日，美國的火星車“毅力號”預計將登陸火星。祝大家好運。

在火星探測上，美國是走得最遠、貢獻最多的。近年來，一大發現就是火星上有水，雖然是在地下，而且是含鹽量很高的水。有水就可能有生命，因此，現在火星探測的一大重點就是往地下尋找生命。很有可能，會在兩年之內宣佈發現火星生命。

2020年的一大新聞，是中國的嫦娥五號為人類自1976年以來，即時隔44年之後，首次從月球取回了樣品（《獨家採訪中國航天人：上萬工程人員研製十年，換2公斤月壤，非常值得！| 科技袁人》）。這1731克的月壤樣品主要儲存在中國科學院國家天文臺，還有一部分放在毛主席的故鄉湖南韶山作為異地災備，以告慰中國人民“可上九天攬月”的夙願。

嫦娥五號返回

2021年，在月球探測方面，英國、印度、俄羅斯和美國也有行動計劃（《2021年世界空間科學任務發射展望：以重大科學目標為牽引 | 不以大小論英雄》）。

英國的目標是，繼美俄中之後，第四個實現月球飆車的成就。不過英國的月球車不怎麼像車，倒更像個蜘蛛，因為它不是有四個輪子，而是有四條腿。事實上，英國月球車的名字就是“晨蜘蛛”（Asagumo）。

晨蜘蛛月球車示意圖

印度的目標是，再次嘗試月球軟著陸。上一次嘗試是在2019年9月7日，印度“月船2號”的軟著陸變成了硬著陸，著陸器撞到了月球上（《印度落月失敗：從“畫扇面”到“小目標” | 袁嵐峰》）。祝這次他們的“月船3號”好運。

印度空間研究組織（Indian Space Research Organisation，簡稱ISRO）為月船3號發的海報

俄羅斯的目標是，在月球的隕石坑著陸，尋找水的痕跡。這個探測器叫做“月球-25號”，又稱為“月球-水珠”（Lunar-Glob）著陸器。而這個系列的上一個任務，就是在嫦娥五號之前最後一次從月球取回樣品的“月球-24號”，那還是在1976年。

月球-25號

美國的目標是，把無人試驗飛船送入遠距逆行軌道（distant retrograde orbit）。這將是他們重返月球的“阿爾忒彌斯計劃”（Artemis）的第一步。

2021年國際天文界的一個重頭戲，是跳票多年的詹姆斯·韋伯空間望遠鏡（JWST）終於要發射了，預定10月31日在法屬蓋亞那發射（《2021年世界空間科學任務發射展望：以重大科學目標為牽引 | 不以大小論英雄》）。韋伯望遠鏡計劃的發射時間從2007年一路推遲到2021年，耗資從5億美元一路飆升到100億美元，它已經成了一個傳奇。

如果這次發射順利，它將到達日地拉格朗日點L2，即日地連線在地球外側約150萬公里的地方，這個位置可以使它相對於地球和太陽保持靜止。讓我們祝它好運，祝全人類好運。

2021年，中國的空間站將開始組建。首先發射的，是核心艙“天和號”。

中國空間站

空間站既是載人航天的重要平臺，也是科學實驗的重要平臺。空間站將配置超冷原子、高精度時頻、高微重力等13個科學實驗櫃，可開展空間生命、流體燃燒、材料、基礎物理等研究和實驗。艙外設定的空間環境監測載荷，可為空間站提供太陽活動和大氣密度等空間環境監測及預報支援。

我來為大家解釋一下。超冷原子是利用原子的量子效應，實現常規方法無法達到的精密操控。例如超高精度的原子鐘，從宇宙誕生至今的138億年內誤差不超過1秒。在這個意義上，空間站可以看作一種科學基礎設施。

最近，中國建成了一個重要的科學基礎設施：跨度4600公里的天地一體量子通訊網路（《跨越4600公里，中國量子通訊全球領先，歐美多久才能追上？| 袁嵐峰》）。它包括2016年發射的世界第一顆量子科學實驗衛星“墨子號”與2017年開通的世界第一條量子保密通訊幹線“京滬幹線”，為量子通訊的大規模應用奠定了基礎。在這個領域，中國領先歐洲3至5年，領先美國5至8年。

天地一體化量子通訊網路示意圖

量子通訊網路的基本功能，是實現不被任何數學攻擊破解的加密資料傳輸。此外，利用相通的量子精密測量技術，量子通訊網路還可以用於超高精度授時系統這樣的實用目的，以及用天地超大尺度量子干涉來檢驗量子力學與廣義相對論的融合這樣的基礎研究目的。

我國科學家利用“墨子號”量子科學實驗衛星率先開展引力誘導量子糾纏退相干實驗檢驗（http://news.ustc.edu.cn/info/1055/49852.htm）

在量子精密測量方面，最近有一個驚人的初步結果，來自中國科學技術大學杜江峰院士研究組（https://www.toutiao.com/w/a1689663206631435/）。他們在“金剛石色心量子位元”這個方面是世界領先的，這種體系可以作為超高精度的探測器。他們以前所未有的精度探測自旋-物質相互作用，發現了全新的現象，看起來很像一種暗物質的候選粒子“軸子”（axion）。

這個結果還沒有完全確認，所以大家說話都很謹慎。但如果確認了，就可能超越現在粒子物理的標準模型，也許會開啟科學革命。這篇論文的標題叫做《在單個自旋與移動的質量之間觀測到一種新的相互作用》，大家可以體會體會。

《在單個自旋與移動的質量之間觀測到一種新的相互作用》（《蟲洞在望—杜江峰團隊革命性成果或可測量類暗物質》）

量子科技除了量子通訊和量子精密測量之外，還有一大領域是量子計算。

2020年12月，中國的量子計算機“九章”實現了一個里程碑，即對某個問題超越了現有最強的超級計算機（《讓中央集體學習的量子科技究竟是啥？這個科普我已經做了五年（五）在九章中介紹九章 | 袁嵐峰》）。這個里程碑叫做實現“量子優越性”（quantum advantage），他們處理的這個問題叫做“玻色子取樣”（boson sampling），用的物理體系是光學。

九章光量子干涉實物圖（《比最快的超級計算機快一百萬億倍！中國科學家實現“量子計算優越性”里程碑》）

左下方為輸入光學部分，右下方為鎖相光路，上方共輸出100個光學模式，分別透過低損耗單模光纖與100超導單光子探測器連線。

攝影：馬瀟漢，梁競，鄧宇皓

2019年，谷歌的量子計算機“懸鈴木”（Sycamore）第一個宣佈實現了量子優越性。他們處理的問題叫做“隨機線路取樣”（random circuit sampling），用的物理體系是超導電路。因此，九章的成就是第二個實現量子優越性，第一個用光學體系實現量子優越性。

谷歌論文圖1對“懸鈴木”量子計算機結構的演示

量子計算的技術路線除了光學和超導之外，還包括離子阱、冷原子、核磁共振、金剛石色心等等。其他各個技術路線、各個實驗組也都在不斷努力，爭取儘快撞線。所以，過不久可能就會聽到離子阱實現量子優越性，冷原子實現量子優越性等等。

需要說明的是，實現量子優越性只是量子計算機發展過程中的關鍵節點之一，後面還有很長的路。例如下一步是用量子計算機解決具有重大實用價值的問題，這可能在5年內實現。再下一步是研製可程式設計的通用量子計算原型機，這可能需要20年或更長。

下面來看粒子物理，它的進步依賴於加速器和探測器。

目前人類最強的加速器是歐洲的大型強子對撞機（Large Hadron Collider，簡稱LHC），它最著名的成就是在2012年發現了希格斯粒子（Higgs boson），補上了標準模型的最後一塊拼圖。此後它一直在尋找新物理的蹤跡，但還沒有突破。LHC正在進行亮度升級，預期2026年完成，將亮度即單位時間裡粒子的數量提升到原來的5至10倍。

大型強子對撞機

中國的大型對撞機計劃爭論了幾年，目前還沒有確定是否要建設（《要不要造大型對撞機是個優先順序排序問題，很多人卻把它當成陰謀問題 | 袁嵐峰》）。它的正式名稱是環形正負電子對撞機（Circular Electron-Positron Collider，簡稱CEPC）。如果建成，CEPC將成為世界上最強的希格斯粒子生產工廠，把希格斯粒子各項性質的測量精度提高一個量級。

大型對撞機概念圖（https://cerncourier.com/a/chinas-bid-for-a-circular-electron-positron-collider/）

粒子物理在加速器之外的另一個發展方向，稱為非加速器物理。它是用探測器接收宇宙線粒子或非加速器手段產生的粒子，以尋找新現象和新物理。

例如日本的超級神岡探測器（Super-K），最初目的是探測質子衰變。這個目標沒有實現，卻意外地發現了太陽發出的中微子可以在三種類型之間轉換。這種現象叫做“中微子振盪”，說明中微子不是像傳統認為的那樣質量為零，而是有非零的質量。超級神岡的主持人小柴昌俊，因此獲得了2002年的諾貝爾物理學獎。

小柴昌俊抱著他成功的關鍵，20英寸光電倍增管（http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2002/illpres/kamiokande.html）

中國迄今為止在粒子物理領域最重要的實驗成就之一，就是中微子振盪機率的精確測量（《大亞灣中微子實驗正式退役，江門接棒開啟中、美、日新一輪競爭｜專訪中科院高能所溫良劍 | 科研圈》）。這個專案叫做大亞灣中微子實驗，是一箇中美合作的專案。大亞灣核電站發出很多中微子，為這個實驗提供了材料。具體地說，大亞灣中微子實驗測定了中微子之間的混合角θ13。專案主持人、中方的王貽芳院士和美方的陸錦標院士，因此獲得了2016年的基礎物理學突破獎。

奇妙的是，雖然我們已經知道中微子有三種，以及它們之間的轉化機率，但直到現在我們還不知道這三種中微子的質量順序，即到底誰輕誰重。這將是大亞灣中微子實驗的後繼者——江門中微子實驗（Jiangmen Underground Neutrino Observatory，簡稱 JUNO）的任務。

2020年12月12日，大亞灣中微子實驗正式退役，它可能會改建成一個科普基地。江門實驗正在建設，兩年後那裡將建成全世界最大的液體閃爍體中微子探測器。再加上美國的深層地下中微子實驗（DUNE）、日本的頂級神岡探測器（Hyper-K），未來十年中全世界預計共有三臺大型中微子實驗陸續啟動，新一輪競爭正在拉開序幕。

在粒子物理與宇宙學方面，中國有不少大型探測器正在建設和執行。例如探測宇宙大爆炸產生的原初引力波的西藏阿里原初引力波偏振望遠鏡（AliCPT）（《宇宙學家：回國就被國際專案拉黑了 中國：要啥我給你造！| 科技袁人》），探測暗物質的四川錦屏地下實驗室（CJPL），以及探測高能宇宙線的四川稻城高海拔宇宙線觀測站“拉索”（LHAASO）。

最為公眾所知的是“中國天眼”，位於貴州大窩凼的500米口徑球面射電望遠鏡（FAST）。它是目前世界最大的單口徑射電望遠鏡（《有人認為FAST是燒錢作假——聽蝲蝲蛄叫就不種莊稼了？| 袁嵐峰》）。2020年，FAST在快速射電暴和脈衝星方面取得了重要成果，並開啟了對外星文明的搜尋。

FAST夜景（http://news.sina.com.cn/o/2016-11-07/doc-ifxxmyuk6173099.shtml）

空間太極計劃-引力波探測星組（https://view.inews.qq.com/w2/20200218A0MDKO00）

工欲善其事，必先利其器。我們無法預測這些探測器什麼時候會有重大發現，但種子撒下去了，就必然會有收穫。

最後，我們來介紹一下人工智慧。在2016年AlphaGo戰勝李世石以來，這個領域又經歷了一次過熱和收縮。幾年之間，已經有不少人對人工智慧的看法從“奇點將至”變成了“又一個就業大坑”。

不過，只要抹去不切實際的期望，就會看到人工智慧是在迅速前進的，至少在技術層面。例如2020年的一大突破，就是AlphaFold對蛋白質摺疊實現了前所未有的預測精度，在有些地方甚至比實驗精度還高。這對生物、製藥等領域具有重大意義，可能開啟一場革命。

在兩年一次的 CASP 競賽中，各組爭先預測蛋白質的 3D 結構。2020年，AlphaFold 擊敗了所有其他小組，並在準確性方面與實驗結果相匹配（《「它將改變一切」，DeepMind AI解決生物學50年來重大挑戰，破解蛋白質分子摺疊問題》）

祝大家在新的一年裡，更加熱愛科學，關注科學，為科學事業做出更大的貢獻。

擴充套件閱讀：

新冠病毒傳播的可能路徑：自然宿主–環境介質–人 | 中國工程院院刊

理解黎曼猜想（六）朝聞道 | 袁嵐峰

衝出太陽系的第一步 | 袁嵐峰

天問：火星與人類的未來 | 袁嵐峰

獨家採訪中國航天人：上萬工程人員研製十年，換2公斤月壤，非常值得！| 科技袁人

2021年世界空間科學任務發射展望：以重大科學目標為牽引 | 不以大小論英雄

印度落月失敗：從“畫扇面”到“小目標” | 袁嵐峰

跨越4600公里，中國量子通訊全球領先，歐美多久才能追上？| 袁嵐峰

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背景簡介：本文作者袁嵐峰，中國科學技術大學化學博士，中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家研究中心副研究員，中國科學技術大學科技傳播系副主任，中國科學院科學傳播研究中心副主任，科技與戰略風雲學會會長，“科技袁人”節目主講人，安徽省科學技術協會常務委員，中國青少年新媒體協會常務理事，中國科普作家協會理事，入選“典贊·2018科普中國”十大科學傳播人物，微博@中科大胡不歸，知乎@袁嵐峰（https://www.zhihu.com/people/yuan-lan-feng-8）。本文應《環球》雜誌之邀寫作（《2021年，最有可能取得突破的科學領域是哪個？》），由於篇幅限制有較多刪減，此為全文。責任編輯：陳昕悅