近代科學誕生以來，已經(jīng)發(fā)生了5次科技革命，對人類社會的發(fā)展進程產(chǎn)生了深遠的、革命性的影響，從根本上改變了全球政治經(jīng)濟格局。當前，面對百年未有之大變局，科技創(chuàng)新已成為影響和改變世界經(jīng)濟版圖的關(guān)鍵變量。在新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的重大歷史機遇期，誰抓住了這一戰(zhàn)略機遇，就能站在世界發(fā)展的潮頭，將發(fā)展主動權(quán)掌握在自己手里。
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(shù)廣度和深度進軍”?？茖W技術(shù)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。愛因斯坦也曾預言：“未來科學的發(fā)展，無非是繼續(xù)向宏觀世界和微觀世界進軍?！?/span>
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(jié)構(gòu)、量子調(diào)控，都是當前世界科技發(fā)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(guān)人類生存與發(fā)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(fā)展態(tài)勢。
探究宇宙的本質(zhì)，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(fā)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(fā)明了望遠鏡，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(xiàn)，讓人類觀測宇宙的尺度拓展到150億光年左右的時空區(qū)域。隨著觀測手段日益豐富和技術(shù)不斷提高，對宇宙的研究也從定性描述發(fā)展到了精確時代，可以對宇宙物質(zhì)組分的演化分布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(zhì)、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(xiàn)重大飛躍，可能引發(fā)新的物理學革命。
20世紀20年代，美國科學家哈勃發(fā)現(xiàn)了紅移現(xiàn)象，說明宇宙正在膨脹。之后，又進一步發(fā)現(xiàn)宇宙在加速膨脹。引起宇宙加速膨脹的主要原因，主流觀點認為，在宇宙可觀測到的物質(zhì)之外，還存在暗物質(zhì)、暗能量。宇宙中可見物質(zhì)僅占4.9%，而暗物質(zhì)占到26.8%，暗能量占到68.3%。暗物質(zhì)不發(fā)光，不發(fā)出電磁波，從來沒有被直接“看”到過。暗物質(zhì)和暗能量，被稱為是21世紀物理學的兩朵新“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(zhì)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(guān)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(zhì)存在的證據(jù)。2008年美國發(fā)射了費米太空望遠鏡，探測暗物質(zhì)就是其重要任務(wù)之一。2011年，美國奮進號航天飛機最后一次飛行任務(wù)，專門為國際空間站運送阿爾法磁譜儀，主要任務(wù)也是探測暗物質(zhì)、反物質(zhì)和宇宙射線。
2015年，中科院成功研制發(fā)射了“悟空號”暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)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(jīng)服役5年，獲得了國際上精度最高的電子宇宙射線探測結(jié)果，發(fā)現(xiàn)能譜上存在一處新的結(jié)構(gòu)可能與暗物質(zhì)有關(guān)，一旦被后續(xù)數(shù)據(jù)確認，將是天體物理領(lǐng)域的突破性發(fā)現(xiàn)。今年，由中科院科研人員參與的國際上最大規(guī)模的星系巡天項目——深場重子聲波振蕩光譜巡天（eBOSS），成功測量了宇宙背景膨脹及結(jié)構(gòu)增長率，這也是迄今為止依托星系巡天得到的最強暗能量觀測證據(jù)。
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(fā)現(xiàn)了第一顆恒星級黑洞（注釋１）。之后，科學家又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了更多的黑洞。2015年，由中國科學家領(lǐng)銜的國際研究小組宣布，發(fā)現(xiàn)了一個距地球128億光年、質(zhì)量為太陽120億倍的超大質(zhì)量黑洞，這是已知最大質(zhì)量的黑洞。
2019年4月，分布在全球8個不同地區(qū)的射電望遠鏡組成的觀測陣列網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)過近2年觀測和后期海量數(shù)據(jù)分析處理，全球六地同步直播發(fā)布了距離地球5500萬光年、質(zhì)量為太陽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(guān)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托我國自主研制的郭守敬望遠鏡（LAMOST），發(fā)現(xiàn)了一個迄今為止質(zhì)量最大的恒星級黑洞，并提供了一種利用LAMOST巡天優(yōu)勢尋找黑洞的新方法。
對黑洞的形成、性質(zhì)、結(jié)構(gòu)及其演化規(guī)律進行研究，對于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(shè)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為一項重要任務(wù)。今年的諾貝爾物理學獎就頒發(fā)給了關(guān)于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年前后發(fā)射具有高靈敏度加大視場特性的“愛因斯坦探針”衛(wèi)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。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(chuàng)成果。
探索宇宙演化和宇宙結(jié)構(gòu)起源的過程是一項長期性、基礎(chǔ)性任務(wù)。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。LIGO項目和發(fā)現(xiàn)引力波成果獲得了2017年的諾貝爾物理學獎，并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“后愛因斯坦計劃”（BBO計劃），日本啟動實施DECIGO計劃等。今年9月發(fā)現(xiàn)的首個中等質(zhì)量黑洞，就是借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(guān)注，曾作出重要批示。我國近年來先后啟動了“太極計劃”“天琴計劃”，目前正在建設(shè)的阿里原初引力波觀測站，主要也是用于探測原初引力波，預計將于2021年給出北天最精確的宇宙微波背景輻射極化天圖。
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，在全球范圍內(nèi)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”著陸器登上彗星。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”小行星上投放了著陸器，并把采集的密封在返回艙中的首個來自小行星的地下物質(zhì)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(lián)酋“希望號”、中國的“天問一號”、美國“毅力號”先后奔赴火星開展探測。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”成為世界首個在月球背面軟著陸和巡視探測的航天器，最近剛剛發(fā)射的“嫦娥五號”，是人類時隔44年再一次采集月球樣品并帶回地球。
圍繞深空探測和研究，一批大科學裝置發(fā)揮了重要作用。2019年，美國的哈勃太空望遠鏡公布了最新的宇宙照片“哈勃遺產(chǎn)場”（HLF），這是迄今為止最完整、最全面的宇宙圖譜，記錄了從宇宙大爆炸后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(xiàn)了一部壯麗的宇宙星系演化史。
2016年，由中科院建設(shè)運行的500米口徑球面射電望遠鏡（FAST）——“中國天眼”正式啟用。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（相當于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(nèi)保持世界領(lǐng)先地位。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了超過240顆脈沖星，近期在快速射電暴的研究中取得了重要成果。
一批性能更為先進的大科學裝置正在加快建設(shè)。如，多國正在共同建設(shè)平方公里陣列射電望遠鏡（SKA），由位于澳大利亞西部的低頻陣列和位于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年前后投入使用，將開辟人類認識宇宙的新紀元。我國也是SKA的創(chuàng)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(shù)據(jù)傳輸、科學數(shù)據(jù)處理、中頻孔徑陣列等建設(shè)和研究工作。
從微觀結(jié)構(gòu)探究物質(zhì)世界和生命的本質(zhì)及運行活動規(guī)律，是世界科技前沿的另一個發(fā)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(xiàn)，讓科學家可以探索和解釋越來越深層的物質(zhì)結(jié)構(gòu)和物理規(guī)律。原子內(nèi)部的電子、質(zhì)子、中子以及多種基本粒子相繼被發(fā)現(xiàn)。量子力學的發(fā)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(fā)現(xiàn)了DNA雙螺旋的結(jié)構(gòu)，開啟了分子生物學時代，對生命體的研究也進入到分子層次。
在粒子物理學里，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(zhì)的基本粒子，而且能夠?qū)嶒炦M行精確預言，并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(fā)現(xiàn)了希格斯粒子，完成了標準粒子模型確認工作的最后一環(huán)，由此，標準粒子模型預言的61種基本粒子已經(jīng)全部被發(fā)現(xiàn)。
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(guān)研究，也推動了天體物理、宇宙學和核物理等學科的重大發(fā)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(fā)現(xiàn)了一種新的中微子振蕩模式，被認為是該領(lǐng)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(chǔ)物理學突破獎”。近日，中科院微尺度國家研究中心發(fā)現(xiàn)了標準模型以外的一種全新的自旋-物質(zhì)相互作用方式，這是一種與現(xiàn)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(zhì)打開了一個全新的窗口。
理論和實驗手段的進步，已經(jīng)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(zhì)結(jié)構(gòu)研究開始從“觀測時代”走向“調(diào)控時代”，也為能源、材料、信息等產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供新的理論基礎(chǔ)和技術(shù)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(tǒng)的突破性試驗方法。
我國在這一領(lǐng)域具有很強的理論和技術(shù)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?；魻栃?，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(tài)等方面，也取得了具有世界影響的重大成果。
作為量子調(diào)控領(lǐng)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，歐盟啟動了“量子科技旗艦項目計劃”，美國正式頒布了“國家量子計劃法”，日本也發(fā)布了“量子飛躍旗艦計劃”。美國白宮又于今年2月發(fā)布了《美國量子網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)略構(gòu)想》、10月發(fā)布了《國家量子信息科學戰(zhàn)略投入的量子前沿報告》。
我國目前在量子密鑰通信方面處于世界前沿地位。2016年，中科院成功發(fā)射了世界首顆量子通信科學實驗衛(wèi)星“墨子號”，在國際上首次實現(xiàn)千公里級星地雙向量子密鑰傳送和量子隱形傳態(tài)，并成功實現(xiàn)洲際量子密鑰保密通信，為構(gòu)建覆蓋全球的量子密鑰保密通信網(wǎng)絡(luò)奠定了堅實的基礎(chǔ)。中科院牽頭建設(shè)的“京滬干線”量子密鑰通信骨干網(wǎng)，已于2017年正式開通，這是世界上第一條量子密鑰通信保密干線，標志著我國已構(gòu)建出全球首個天地一體化廣域量子密鑰通信網(wǎng)絡(luò)雛形。
量子計算也是各國高度關(guān)注的戰(zhàn)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(jīng)典計算機實現(xiàn)指數(shù)級別的加速，具有重大社會和經(jīng)濟價值，如密碼破譯、大數(shù)據(jù)優(yōu)化、材料設(shè)計、藥物分析等。
2017年，中國科大的研究團隊構(gòu)建了世界首臺超越早期經(jīng)典計算機（ENIAC）的光量子計算原型機。2019年，谷歌宣布開發(fā)出了54量子比特的超導量子芯片，對一個電路采樣一百萬次只需200秒，而當時運算能力最強的經(jīng)典計算機Summit需要一萬年，率先實現(xiàn)了“量子優(yōu)越性”（指當可以精確操縱的量子比特超過一定數(shù)目時，量子計算機在特定任務(wù)上的計算能力就能遠超經(jīng)典計算機）。剛剛發(fā)布的消息，中國科大與中科院上海微系統(tǒng)所、國家并行計算機工程技術(shù)研究中心等合作，構(gòu)建了76個光子的量子計算原型機“九章”，實現(xiàn)了具有實用前景的“高斯玻色取樣”任務(wù)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(yè)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。
隨著對基因、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(shù)的進步，大大提升了生物大分子結(jié)構(gòu)研究的效率，生命科學領(lǐng)域研究正在從“定性觀察描述”向“定量檢測解析”發(fā)展，并逐步走向“預測編程”和“調(diào)控再造”。分子生物學、基因組學、合成生物學等領(lǐng)域成果不斷涌現(xiàn)，全面提升了人類對生命的認知、調(diào)控和改造能力。
基因組學是生命科學最前沿、影響最廣的領(lǐng)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(zhì)的合成?；蚬こ叹褪且獙ふ夷康幕?，通過對其進行剪切、剔除、連接、重組等操作，實現(xiàn)對生命體的調(diào)控。近年來，基因測序成本以超過信息領(lǐng)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(shù)小時就可完成，這對基因組研究、疾病研究、藥物研發(fā)、生物育種等具有巨大的推動作用。
基因編輯技術(shù)有人將其比喻為“上帝的手術(shù)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(xiàn)以來，基因編輯技術(shù)不斷改進和發(fā)展，今年獲得諾貝爾獎化學獎的CRISPR/Cas9技術(shù)，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。
合成生物學被譽為是繼DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)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(shù)。目前，科學家已經(jīng)能夠設(shè)計多種基因控制模塊，組裝具有更復雜功能的生物系統(tǒng)，甚至創(chuàng)建出“新物種”。比如，利用合成生物學技術(shù)，可以培養(yǎng)出用于診斷早期癌癥與糖尿病的細菌，合成出抗瘧藥物青蒿素、抗生素林可霉素等藥物，更簡單高效地生產(chǎn)生物燃料，很有可能引發(fā)相關(guān)領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)革命。
近期，谷歌DeepMind的AlphaFold算法在國際蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)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于氨基酸序列預測了蛋白質(zhì)的3D結(jié)構(gòu)，解決了困擾生物圈50年之久的“蛋白質(zhì)折疊問題”。傳統(tǒng)上基于X射線晶體學、核磁共振、冷凍電鏡等實驗技術(shù)解析蛋白質(zhì)3D結(jié)構(gòu)需要花費數(shù)年時間，而AlphaFold僅需數(shù)天時間。這一成果被Nature評價為“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(fā)現(xiàn)速度、重大疾病治療等具有非常重要的意義。
科技創(chuàng)新作為引領(lǐng)發(fā)展的第一動力，已呈現(xiàn)出多點群發(fā)突破態(tài)勢，推動人類活動范圍不斷擴展，信息傳遞和交換能力實現(xiàn)質(zhì)的躍升，生命健康水平持續(xù)提升，都達到了前所未有的高度。深刻改變?nèi)祟惖墓ぷ鞣绞?、生活方式?/span>
信息技術(shù)的飛速發(fā)展打破了空間限制，人與人、人與物的聯(lián)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(lián)時代。最近幾年，物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能、區(qū)塊鏈等飛速發(fā)展和廣泛應用，引起了經(jīng)濟社會各個方面的深刻變革。而且，信息技術(shù)的發(fā)展速度還在加快，新的技術(shù)、顛覆性技術(shù)還在持續(xù)不斷地涌現(xiàn)，持續(xù)推動經(jīng)濟社會加速向數(shù)字化轉(zhuǎn)型。
一方面，以芯片和元器件、計算能力、通信技術(shù)為核心的新一代信息技術(shù)正處在一個重要突破關(guān)口。硅基芯片和元器件是信息技術(shù)發(fā)展的基石，其制程工藝不斷提高，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(guī)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(jīng)開始試產(chǎn)；3納米的芯片也正在研發(fā)。圖形處理器、現(xiàn)場可編程門陣列、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片等也在加速發(fā)展。
另一方面，“互聯(lián)網(wǎng)+”“智能+”使經(jīng)濟活動更加靈活、智慧，不斷催生出新業(yè)態(tài)、新模式，深刻改變?nèi)藗兩睢⒐ぷ?、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(shù)字貨幣，從網(wǎng)絡(luò)扶貧到數(shù)字鄉(xiāng)村，數(shù)字經(jīng)濟加速發(fā)展，為經(jīng)濟發(fā)展打開新的空間，為產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級提供新的動力。各種智能終端、可穿戴設(shè)備不斷推陳出新，遠程辦公、遠程教育、遠程醫(yī)療、無人酒店、無人超市、無人餐廳等飛速發(fā)展，推動經(jīng)濟社會全方位數(shù)字化轉(zhuǎn)型。據(jù)統(tǒng)計，數(shù)字經(jīng)濟在發(fā)達國家經(jīng)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%。
以5G為例，其數(shù)據(jù)速率是4G的百倍以上，下載一部高清電影只需幾秒鐘；且數(shù)據(jù)傳輸延遲在1毫秒以下，能夠支持在一平方公里內(nèi)連接100萬臺設(shè)備，大約是4G的幾十到上百倍。由于這些明顯的技術(shù)優(yōu)勢，5G可以隨時隨地實現(xiàn)萬物互聯(lián)，成為數(shù)字經(jīng)濟乃至數(shù)字社會的“神經(jīng)系統(tǒng)”，并帶來一系列產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新和巨大經(jīng)濟及戰(zhàn)略利益。我國的華為、中興等企業(yè)，在5G方面已擺脫了4G之前的跟跑狀態(tài)，目前在全球競爭中具有一定優(yōu)勢。
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(guī)模儲能以及動力電池、智慧電網(wǎng)等方面，都取得了一批突破性進展，推動能源技術(shù)加速向綠色、低碳、安全、高效、智慧的方向轉(zhuǎn)型。比如，與直接燃燒相比，如果將煤炭轉(zhuǎn)化成油品，不僅會減少對環(huán)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(shù)為核心，全球單套規(guī)模最大的煤炭液化裝置、年產(chǎn)400萬噸煤制油工程成功投產(chǎn)，實現(xiàn)煤炭資源清潔高效轉(zhuǎn)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(lǐng)域正在向個性化、綠色化、復合化和多功能化的方向發(fā)展，金屬、陶瓷、高分子和復合材料快速進步；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，為制造業(yè)發(fā)展和極端環(huán)境作業(yè)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(chǎn)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(huán)境作業(yè)，對材料提出很高的要求。再如深海探測領(lǐng)域，中科院金屬所為“奮斗者”號球形載人艙研發(fā)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，相當于2000頭非洲象踩在一個人的背上，難度可想而知。
在先進制造領(lǐng)域，以智能感知、智能控制、自動化柔性化生產(chǎn)為特征的智能工廠大量涌現(xiàn)，3D、4D打印技術(shù)快速發(fā)展，先進機器人、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)廣泛應用于制造業(yè)，個性化訂制、柔性化生產(chǎn)、制造業(yè)服務(wù)化等，成為新趨勢。比如，德國西門子安貝格電子工廠被稱為全球最接近工業(yè)4.0的工廠，生產(chǎn)過程實現(xiàn)了從產(chǎn)品到制造全價值鏈的數(shù)字化，一條生產(chǎn)線一天可進行350次切換，能生產(chǎn)1000多種不同的產(chǎn)品，且產(chǎn)品的合格率高達99.9989%。
有人說21世紀是生命科學的世紀。在Science創(chuàng)刊125周年公布的125個最具挑戰(zhàn)性的科學問題中，46%屬于生命科學領(lǐng)域。精準醫(yī)學、癌癥治療、干細胞和再生醫(yī)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(shù)新方法加速走向臨床應用，推動醫(yī)學走向“個性化精準診治”和“關(guān)口前移的健康醫(yī)學”新發(fā)展階段。2015年，美國政府提出“精準醫(yī)學計劃”，目標是“為每個人量身定制醫(yī)療保健”，在世界范圍內(nèi)掀起了精準醫(yī)學的熱潮。目前，精準醫(yī)療在癌癥等重大疾病的預防和治療方面，取得了多項突破。美國《科學家雜志》評選的2018年10大科技進展中，2項與精準醫(yī)學有關(guān)：一項是中科院的基于自組裝的DNA折紙技術(shù)，構(gòu)造出攜帶凝血酶的納米機器人系統(tǒng)，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(shù)據(jù)，可發(fā)現(xiàn)醫(yī)生無法診斷的疾病模式。
干細胞和再生醫(yī)學為有效治療心血管疾病、糖尿病、神經(jīng)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(shù)治療后的第三種疾病治療途徑，引發(fā)新一輪醫(yī)學革命。比如，中科院基于干細胞技術(shù)制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，顯示出良好的臨床前景，已經(jīng)開始進入臨床。2018年，中科院完成世界上首例臍帶間充質(zhì)干細胞復合膠原支架材料治療卵巢早衰臨床研究，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干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“最后疆域”。主要科技大國都高度重視腦科學研究，美國、歐盟、日本等國相繼啟動了腦科學研究計劃，發(fā)起成立了國際大腦聯(lián)盟；我國也將“腦科學”研究納入到“科技創(chuàng)新2030——重大項目”。目前，科學家已經(jīng)繪制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(guān)學科取得突破的關(guān)鍵，為發(fā)展新一代神經(jīng)及精神疾病的診斷、治療技術(shù)方法奠定了堅實的基礎(chǔ)。人腦重大疾病診治也取得重要進展，對帕金森、阿爾茨海默癥、抑郁癥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(xiàn)。中科院研發(fā)的抗阿爾茨海默癥新藥“九期一”，已于2019年底正式上市，填補了該領(lǐng)域全球17年無新藥上市的空白。
生命健康領(lǐng)域的技術(shù)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鑒定出病毒毒株并與世界衛(wèi)生組織共享了病毒全基因組序列，為全球科學家開展藥物、疫苗、診斷研究提供了重要基礎(chǔ)，為打贏疫情科技攻堅戰(zhàn)作出了重要貢獻。
在海洋研究與開發(fā)方面，關(guān)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(fā)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?zhí)枴陛d人潛器在2012年突破了7000米深度，中科院自主研制全海深自主遙控潛水器“海斗一號”，于今年5月9日至26日，在馬里亞納海溝成功完成4次萬米下潛，連續(xù)下潛次數(shù)居世界前列，最大下潛深度10907米，使我國成為繼日、美之后第三個擁有萬米級無人潛水器的國家。今年11月10號，中科院作為主要單位參與研制的中國首艘萬米級載人潛水器“奮斗者號”下潛深度達到10909米，在馬里亞納海溝成功坐底，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(fā)利用、防災減災等目標，人類活動范圍不斷向地球深部拓展。人類地下建筑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）位于地底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(shè)的錦屏地下實驗室，是目前世界上巖石覆蓋最深的地下實驗室，用巖石屏蔽宇宙射線開展暗物質(zhì)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鉆探項目，如美國聯(lián)合多國實施的大洋鉆探計劃，在各大洋完成過千個鉆孔，取芯深度最大超過9500米；2018年我國實施了全球首個鉆穿白堊系的科學鉆井，鉆探及取芯深度達到7018米；目前，世界上最深鉆井記錄還是前蘇聯(lián)在冷戰(zhàn)時期創(chuàng)造的科拉超深鉆孔，深度達12262米?？偟膩碚f，人類對我們賴以生存的地球了解還十分有限，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(chuàng)新前沿做了概括梳理。隨著科學技術(shù)的前沿不斷向深度和廣度進軍，人類對自然規(guī)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(fā)展環(huán)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。
黨的十八大以來，我國科技創(chuàng)新事業(yè)取得歷史性成就、發(fā)生歷史性變革，重大創(chuàng)新成果競相涌現(xiàn)，一些前沿領(lǐng)域開始進入并跑、領(lǐng)跑階段，科技實力正在從量的積累邁向質(zhì)的飛躍，從點的突破邁向系統(tǒng)能力提升。
2019年，我國的研發(fā)經(jīng)費支出達到2.21萬億元，研發(fā)強度約為2.23%；研發(fā)人員全時當量達到480萬人年，在校大學生人數(shù)達4002萬，創(chuàng)新人才規(guī)模穩(wěn)居世界首位；SCI論文數(shù)量和高被引論文數(shù)量都位居世界第2位，國內(nèi)發(fā)明專利申請量和PCT專利申請量都位居世界首位，成為全球科技創(chuàng)新的重要貢獻者。在衡量高質(zhì)量科研產(chǎn)出的自然指數(shù)（NatureIndex）排名中，中國位居世界第二位，中科院已連續(xù)8年在全球科教機構(gòu)中位列首位。
我國科技創(chuàng)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(shù)排名中，也得到了體現(xiàn)。比如，在世界知識產(chǎn)權(quán)組織等機構(gòu)發(fā)布的2019世界創(chuàng)新指數(shù)排名，和瑞士洛桑學院公布的2019年世界競爭力年鑒中，中國都排在第14位；世界經(jīng)濟論壇發(fā)布的2019年全球競爭力報告中，中國排在第28位；科技部公布的2019年國家創(chuàng)新能力排名中，我國排在第15位。這些數(shù)據(jù)反映出我國創(chuàng)新型國家建設(shè)取得顯著成效，也增強了我們科技事業(yè)發(fā)展的信心和決心。
但客觀來講，我國的科技創(chuàng)新水平與國家經(jīng)濟社會發(fā)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(chǔ)研究方面，我國SCI科技論文篇均被引次數(shù)只有10次/篇左右，低于世界篇均被引次數(shù)（12.61次/篇）；在國際最有影響的諾貝爾科學獎獲獎?wù)咧?，美國?00多位，日本21世紀以來已經(jīng)有19位獲獎，而我國只有1位（不包括華裔）。
在戰(zhàn)略高技術(shù)方面，我們還面臨很多關(guān)鍵核心技術(shù)的制約。我國芯片進口額已經(jīng)連續(xù)多年超過石油，2019年超過3000億美元；操作系統(tǒng)、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(shù)控機床、高檔儀器裝備等關(guān)鍵件精加工生產(chǎn)線的制造及檢測設(shè)備，95%以上依賴進口。130多種關(guān)鍵基礎(chǔ)材料，32%在我國仍為空白、52%依賴進口。高端醫(yī)療儀器設(shè)備、高端醫(yī)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(chǎn)業(yè)鏈和供應鏈的安全。
這里我舉個光刻機的例子。光刻機是集成電路制造最重要的核心裝備，是人類有史以來最精密復雜的設(shè)備之一，與航空發(fā)動機共同被譽為人類工業(yè)皇冠上的明珠，同時也是集成電路產(chǎn)業(yè)鏈上我國與國際先進水平差距最大的環(huán)節(jié)。
光刻機的基本工作原理主要是通過光學系統(tǒng)把事先制備在掩模上的圖形以微縮的方式，利用光化學反應成像轉(zhuǎn)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(shù)水平直接決定了集成電路的工藝節(jié)點。比如華為采用5納米工藝制程的麒麟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(xiàn)起來卻非常困難，特別是高端的極紫外光刻機，已接近人類超精密制造的極限。比如，極紫外光源是用激光轟擊金屬液滴產(chǎn)生的等離子體光源，要能實現(xiàn)數(shù)萬瓦級大功率CO2激光的高穩(wěn)定輸出、每秒數(shù)萬次的微米級激光精準打靶。曝光的光學系統(tǒng)采用多層膜反射式結(jié)構(gòu)，反射鏡表面拋光的粗糙度要求相當于在接近中國國土的面積上，起伏小于0.4mm；大口徑多層膜膜厚分布控制精度要求達到原子量級，相當于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(wěn)定性要求達到亞納米量級，相當于從地球射向月球一束光，在月球表面的指向穩(wěn)定在10cm的范圍內(nèi)。此外，由于13.5nm的光會被空氣在內(nèi)的幾乎所有材料吸收，所以需要在龐大的光刻機內(nèi)部實現(xiàn)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(huán)境。
目前只有荷蘭的ASML公司能夠生產(chǎn)極紫外光刻機，但由于其中用到大量的美國技術(shù)和零部件，所以其出口受到美國的長臂管轄限制。華為等國內(nèi)領(lǐng)先的芯片設(shè)計企業(yè)可以設(shè)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(lǐng)域取得長足進步，目前已在開展面向28nm工藝節(jié)點的193nm波長的光刻機研制攻關(guān)。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(shù)路線光刻機的研制。
總體來看，我國科技創(chuàng)新取得了歷史性成就，已經(jīng)具備良好的發(fā)展基礎(chǔ)和條件，發(fā)展?jié)摿艽?，發(fā)展態(tài)勢良好。對此，我們要有充分的創(chuàng)新自信，有決心有信心通過不懈努力，充分發(fā)揮好我們的已有基礎(chǔ)和優(yōu)勢，取得更大的發(fā)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(fā)展的關(guān)鍵問題，找準突破口，揚長避短，因勢利導，采取更有針對性的措施，在發(fā)展的過程中逐步加以解決。
當前，我國已轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展新階段。黨的十九屆五中全會強調(diào)，要堅持創(chuàng)新在我國現(xiàn)代化建設(shè)全局中的核心地位，把科技自立自強作為國家發(fā)展的戰(zhàn)略支撐，面向世界科技前沿、面向經(jīng)濟主戰(zhàn)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(zhàn)略、人才強國戰(zhàn)略、創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略，完善國家創(chuàng)新體系，加快建設(shè)科技強國。這充分體現(xiàn)出以習近平同志為核心的黨中央，對科技創(chuàng)新工作的極端重視，凸顯了以改革促創(chuàng)新、以創(chuàng)新促發(fā)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
