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物质科学的神奇突破将改变我们的生活………………………白春礼
作者: 发布时间:2013/7/30 点击次数:1489 字体【

  

物质科学的神奇突破将改变我们的生活

 
  物质科学致力于研究物质的微观结构及其相互作用规律,它不仅是一切科学的基础,而且可以衍生出一系列新的技术原理,为材料与器件的研发提供新的知识基础。
  未来,由物质科学前沿突破推动的种种神奇的变革性技术将百花盛开,为人类的生活带来便捷。
  科学选择新兴战略性产业非常重要,选对了就有可能跨越发展,选错了将会贻误战机。原始创新是一个国家竞争力的源泉。中国要抢占未来经济和科技发展的制高点,就不能总是跟踪模仿别人,也不能坐等技术转移,必须依靠自己的力量拿出原创成果。从现代科技发展和当前科技发展态势分析,物质科学研究是科学发展的制高点,充满了原始创新的机会,而物质科学的变革性突破将对科技和经济的发展产生十分重要的影响。


  物质世界:缤纷而且“分层次”

  物质科学的研究对象主要包括物质的组成、结构、性质及其变化规律等,是典型的多学科交叉研究领域。物质科学的研究不断催生新的理论,而且也催生新方法、新技术、新手段的发明和运用。
  物质世界的层次对应于基础学科的分类,主要有天文学、空间科学、地球科学、生命科学,乃至材料科学、物理、化学、纳米科技、高能物理、粒子物理等。这些尺度从大到小,所对应的科学前沿分别为宇宙的起源与演化、生命的本质、物质的本质与基本结构等。数学是上述基础学科和科学前沿的共同基础。研究不同物质世界的层次需要不同的学科。
  我们研究天文地球,需要天文学、地球科学、空间科学;如果研究人、动物、细胞,就需要研究动物与生物相关的一切生命科学;研究分子、原子,就需要纳米、化学、物理、材料分子;研究原子核,就需要粒子物理、高能物理。所以第一个研究的是宇宙的起源与演化,第二个是生命的本质,最后两个是物质的本质与基本结构。
  物质科学研究是辩证唯物主义世界观在科学研究领域的实践。物质世界是分层次的,每个层次均有各自的特征和发展规律。一旦对这个层次的特征和规律有了新的认知,科学与技术都将发生革命性的变化。人类认识自然、改造自然的社会活动,也必须从物质世界及其运动规律出发,按照其本来面貌去认识世界、改造世界,尊重客观规律。这也是科学发展观的内涵之一。
  绝大多数科学知识是累进式向前发展的,在原有研究成果的基础上发起新研究项目或对长久以来的猜想及理论加以验证,这种进步是进化性的,即进化的科学观。世界上绝大多数科学研究以这种形式的创新性推动科学进步。通过推翻已有模式,产生全新理论,科学进步是革命性的,以这种形式构成的科学研究,称之为变革性研究。变革性研究从根本上改变对已有重要科技概念的理解,或开辟新的领域,挑战旧理论,迈向新前沿,其特点在于“创新性”、“高风险”与“大胆”。


  科技进步:变革性令人炫目


  李政道先生曾指出:“20世纪初,科学界最大的谜是太阳。”20世纪中叶前,人类所有能源都来自太阳。太阳的能量是经光传播到地球,所以光和热的研究是20世纪初物理界的两大重点。爱因斯坦由于研究光电效应而于1921年获得了诺贝尔物理奖。2009年,诺贝尔基金会评出了百余年诺贝尔奖史上“最受尊崇的”三位获奖者,其中之一是爱因斯坦。光电效应研究催生了相对论和量子论,引发了一个世纪的创新革命,产生了原子结构、分子物理、核能、激光、半导体、超导体、超级计算机等等。几乎20世纪绝大部分的科技文明均源自于此。
  而通过推翻已有模式,产生全新理论,科学进步是革命性的,以这种形式构成的科学研究,称之为变革性研究。变革性研究从根本上改变对已有重要科技概念的理解,或开辟新的领域,挑战旧理论,迈向新前沿。
  1981年,Binnig和Rohrer教授为研究超导体的局域隧道效应,发明了可用于观察和操纵表面单个原子、分子和原子团的扫描隧道显微镜(STM)。这一发明5年后获得了诺贝尔奖。STM被国际科学界公认为是纳米科技的“眼”和“手”,催生了纳米科技走向成熟。所谓“眼”,是指利用探针可直接观察测试原子、分子以及它们之间的相互作用与特性;所谓“手”,是指STM可以移动单个原子或分子,构造纳米结构,同时为科学家提供在纳米尺度上研究新现象、提出新理论的微小实验室。这是对物质科学探索而催生新工具,并因此开辟新领域的典型例子。
  物质科学的前沿突破推动变革性技术的产生。中国科学院在若干基础研究前沿方面进行了布局,并对创新型科技拔尖人才给予了特殊支持。在这方面的重点领域,主要可分为量子尺度、纳米尺度、宏观尺度、未知尺度。


  量子密码:未来网络安全的“守护神”


  21世纪的今天我们过多依赖网络去工作和生活,网络通信、电子商务、电子金融……大量敏感信息通过网络去传播。为了保护个人信息的安全性,防止被盗和篡改,信息加密成为解决问题的关键点。有没有绝对可靠的加密方法?加密密钥被窃取或破译的可能性有多大?在物质科学量子尺度的研究领域里,量子密码研究给了我们一个很好的答案。
  我们知道传统的保密方式,需要做的破解可能1分钟不到,另外语音通讯也是可以截听的,所以经典的保密方式理论上已经被证明是可以破解的,而基于量子学原理的保密方式,则在理论上是不可破解的。量子密码术是密码学与量子力学结合的产物。这种加密方法是用量子状态作为信息加密和解密的密钥。简单来说,量子加密就是利用具有特殊量子性质的光子产生密码的技术,量子的一些神奇性质是量子密码安全性的根本保证。
  中国科技大学在国际顶级刊物上发表系列高水平学术论文,成为国际上在该领域最活跃的研究小组之一。他们两次被美国物理学会评选为国际物理学十大进展,3次被欧洲物理学会评选为国际物理学年度重大进展,5次跻身我国两院院士评选的中国十大科技进展。英国《新科学家》杂志形象地说:“过去合肥最著名的是豆腐和麻饼;现在他们正在改变这一切,他们已将中国科技大学,甚至整个中国,坚定不移地推进到量子计算界的图谱中。”
  2004年在北京与天津之间成功实现了125公里光纤的点对点的量子密钥分配,解决了量子密码系统的稳定性问题。2007年,在北京商用光纤上实现了40公里范围内四用户的城域量子通信网络。2009年,国庆60年之际,在关键区域之间也构成绝对安全的实时语音密量子通讯热线,保证了信息传递的安全和准确性。
  下一步,还有很多的工作要做,我们已经有很好的基础。量子计算,这方面国际上的竞争非常激烈,量子信息处理与通信战略发展提出未来5到10年将实现千公里级的量子通信,包括多节点量子通信网络和基于卫星的量子通信。在欧洲和日本都有一系列的计划来做这些工作。物质科学的前沿突破推动变革性技术的产生。


  纳米制版技术:让印刷业“弃暗投明”

  物质科学大显身手的地方有很多,不仅仅局限在科技领域,同样引领文化的传承与发展。也许这会让人疑惑,一向分门别类的科学事业和文化事业,怎样在物质科学前沿技术的发展下,统筹前行,共促发展呢?
  文字传承文化,活字印刷被誉为我国古代最具影响力的四大发明之一,这是印刷行业的第一次飞跃。二十世纪,第一台汉字激光照排机诞生,我国重大工程技术--激光照排技术成就我国印刷技术跨越式发展,“汉字信息处理与印刷革命”仅次于“两弹一星”名列第二。
  虽然激光照排技术比古老的铅字排版工效至少提高5倍,被印刷业广泛应用,但是这种技术也不是十全十美的。因为激光照排是将文字通过计算机分解为点阵,然后控制激光在感光底片上扫描,用曝光点的点阵组成文字和图像,带来的废液排放严重污染自然环境。无论是激光照排技术,还是现在流行的计算机直接制版技术(CTP技术),其基础都是感光材料预涂层及感光成像技术。在生活中,我们发现印刷上内容的纸张常常会预留很多的空白处,但这并不表示这些地方没有消耗原料,相反因为在印刷的过程中,对于空白的地方一样会进行预先涂层,这就会浪费掉将近90%的资源。
  面对印刷业对资源的浪费和环境的污染,在纳米尺度的物质科学研究基础上,一种纳米绿色制版技术被提上研究日程。这种纳米制版技术不避光、低成本、无污染、高度自动化,这将解决目前感光化学成像带来的污染和浪费问题;这种直接物理成像过程大大简化了工艺流程,降低了成本,也使印刷的控制变得更加简单、方便和高效,真正实现了直接制版的绿色数字化时代;同时,纳米粒子有效增强转印材料的耐摩擦性,同时避免微米颗粒复合引起的打印头堵塞及分辨率低等问题,纳米科技的应用,不仅大大提高了耐印力,而且有效地提高了影像的精度。
  不需要感光成像、不会污染环境、印刷流程缩短……由物质科学纳米尺度研究领域,催生出以“非感光、低成本、无污染、高度自动化”为特征的纳米绿色制版技术,将推动我国印刷行业的技术进步,成为取代激光照排和计算机直接制版技术的前沿印刷制版技术。


  核能利用:点亮可替代能源新曙光

  在IEA发布的《世界能源展望2008》预测,从2006年至2030年世界一次能源需求将从117.3亿吨油当量增长到170.1多亿吨油当量,增长了45%,平均每年增长1.6%,能源供应安全将成为制约世界经济的重要因素。
  目前作为人类主要能源的煤、石油、天然气以及用于产生核裂变能的铀,将在数十年至一、二百年内枯竭。在物质科学宏观尺度研究中,核能研究是基本科学问题之一,先进核聚变技术和核聚变技术的研究将有可能从根本上解决能源问题。
  2020年全世界能源需求约为23兆兆瓦,现在用量约为13兆兆瓦,需增约为10兆兆瓦。可开发的水电约为0.5兆兆瓦,海洋能约为2兆兆瓦,风能约为2兆兆瓦-4兆兆瓦。地球接受的太阳辐射约为120000兆兆瓦,若按陆地面积(占地球面积29.2%)的1%,转换效率10%计算,可提供35兆兆瓦的能源。目前太阳能电池现状是单波长的转换效率可达80%以上,但太阳光谱是连续谱,宽带隙的电池不能利用长波部分,窄带隙的电池不能充分利用短波部分,现有思路性价比不高,另辟途径才有可能获得突破。以新结构、新原理和新材料为契机,强化多学科综合交叉集成,瞄准个性化应用,降低成本,提高效率,是未来发展的趋势。
  在众多可替代能源中,只有核能才可能被人类大规模使用,核能包括核裂变能和核聚变能,未来核能也将逐步取代化石能源成为人类的主要能源。但是,核电要长期发展必须面对的两大关键问题,一个是核燃料的稳定供应,一个是核废料的安全处置。钍一直被认为是一种潜在的核能资源,钍资源是铀的3倍,我国探明储量丰富,钍资源可支付我国核电数百年,理想情况可达千年。以钍为核燃料,产生的核废料少,放射性低,原理可行,但仍有许多基础科学和关键技术问题尚未解决。对于核废料解决问题,中国科学家正着手推进加速器驱动的次临界系统(ADS)研究,期望通过燃烧高放射性废料,使之嬗变成为半衰期很短的物质,达到处理核废料的目的。
  未来清洁、安全和永久性能源是聚变能。核聚变与太阳能、风能、地热相比,不受时间和地域的限制,反应的原料是氢的同位素氘和氟,氘丰富地蕴藏在水中,可人工制取,所以它也是一种取之不尽的能源。把海水通过核聚变转化为能源,1升海水中30毫克氘聚变产生的能量相当于300升汽油,按目前世界能源消耗水平,可供人类用上亿年。
  除了燃料丰富且价格低廉,同时,核聚变几乎没有放射性废物产生,运行安全可靠。但要实现人工核聚变还存在很多技术困难,点亮未来能源新曙光,还需要科技工作者共同努力。国际热核聚变实验反应堆(ITER),也被人们形象地称为“人造太阳”,为欧盟、美国、中国、日本、韩国、印度和俄罗斯七方共同参与。中国科学院建造的实验型先进超导托卡马克(EAST),是世界上首个建成并运行的全超导、非圆截面、磁约束核聚变实验装置,其成果表明EAST实验正朝着探索长脉冲、高参数等离子体物理这一未来聚变堆发展的重要研究方向迈进。


  未知尺度研究:揭密奇幻未知空间

  宇宙是怎样形成的?通过将高度活跃的质子以超快速度撞击到一起,上演微缩版的“宇宙大爆炸”。以“小”见“大”,两颗微小的质子竟能揭示宇宙起源的奥秘,在物质科学的研究中,宏观、微观是有着密切联系的。
  物质科学中,还有空间尺度和未知尺度的研究。空间尺度研究的基本科学问题是天体提高分辨率观测方法,天文甚长基线干涉技术推动了我国探月工程的进程;在未知尺度领域里,暗物质和暗能量的发现,大尺度的天文观测技术和微观粒子的实验探测,将使物质世界得到全新认识。一方面,利用天文方法对暗物质在宇宙空间中的分布作出越来越精确的测量,这对进一步帮助我们理解暗物质的本质至关重要。另一方面,在实验室去探测暗物质粒子信号变得日益重要,黑暗物质研究从天文观测的大尺度宏观性质转向暗物质的微观粒子性质的实验探测。
  谈到未知尺度的研究,暗物质和暗能量是21世纪最大的科学之“谜”。暗物质存在于人类已知的物质之外,目前我们知道它的存在,但不知道它是什么,它的构成也和已知物质完全不同。暗物质和暗能量的研究有可能革命性地改变我们现有的世界观。暗物质的问题起源于天文观测,但最终解决则依赖于物理学与天文学的结合,它是天文学与物理学的交叉与融合的前沿。根据现有观测数据计算,宇宙总能量中的73%是暗能量。
  中科院紫金山天文台通过与美国合作,发现宇宙线电子谱有一个“超出”,被认为可能来自暗物质,受到广泛关注。中科院国家天文台刚建成的大天区面积多目标光纤光谱望远镜(LAMOST),是世界上最大的光谱望远镜,将揭示不同宇宙红移处的星系分布,从而可为追溯宇宙的膨胀历史、探测暗能量的性质提供一定的技术基础。这方面的研究完全是基础性、长远性、探索性的,但一旦有突破性的发现,其影响也是深远的。
  从宇宙、地球、原子、分子、电子到物质结构,对物质科学的深入认识,将拓展对已有重要科技概念的理解,开辟新的研究领域,萌芽若干变革性科学技术,进而带动新兴行业和产业的发展,最终造福于人类。

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