2021年，将有哪些科学突破值得关注 | 袁岚峰_风闻

　　导读

　　种子撒下去了，就必然会有收获。

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　　本视频发布于2021年2月10日，播放量已超四百万

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　　最近，新华社的《环球》杂志约我向读者回答一个问题：“2021年，科学领域可能产生哪些新突破？”

　　我的第一反应是：“这个问题太难了，如果是能预测的，就不叫科学突破了。”

　　不过，虽然我无法预测，也许还是可以向大家介绍一些值得关注的方向。

　　例如，最可能取得突破的，就是与新冠病毒有关的研究。无论是疫苗还是治疗方法，还是病毒溯源（《新冠病毒传播的可能路径：自然宿主–环境介质–人 | 中国工程院院刊》），在各国大量的资源投入之下，都可能取得不少成果。不过与此同时，病毒也在迅速进化。所以，我们离打赢跟病毒的战斗还有很远。

　　实际上，科学的各个领域在突破的可预测性方面，有两个极端。

　　一个极端，是完全无法预测。例如数学中的哥德巴赫猜想、黎曼猜想（《理解黎曼猜想（六）朝闻道 | 袁岚峰》）、P对NP问题等传统难题，因为它们完全依赖于研究者的灵光一闪，没人知道它们什么时候能突破。

　　黎曼猜想：黎曼ζ函数的所有非平凡零点的实部都等于1/2

　　P对NP问题的两种可能

　　另一个极端，是有明确的时间表。例如可控核聚变，许多人都听说过“可控核聚变永远需要50年”这个笑话，几十年前就说需要50年，现在仍然说需要50年。但实际上，现在这个50年不是个虚数了，而是个实数。

　　全球所有主要国家共同参与的重大项目国际热核聚变实验堆（ITER），2020年7月28日开始在法国组装，预期将组装到2025年12月。同时，中国聚变工程实验堆（CFETR）也正在进行工程设计（《冲出太阳系的第一步 | 袁岚峰》）。它们有非常明确的目标，就是在2050年左右建成示范的核聚变发电站，2070年左右建成有商业价值的核聚变发电站。你看，到2070年不正好是50年吗？

　　中国磁约束聚变发展路线图

　　介于这两个极端之间的，是大部分科学领域。下面，我就来介绍一下我了解得相对比较多的领域，包括航天、量子信息、粒子物理、宇宙学和人工智能。

　　在2020年的火星探测窗口，共有阿联酋、中国和美国向火星发射了探测器（《天问：火星与人类的未来 | 袁岚峰》）。在2021年上半年，它们都将到达火星。

　　二十一世纪各年地火距离与探测任务（毛新愿提供）

　　2021年除夕附近，中国的“天问一号”将进入火星轨道，这是最有趣的春节礼物。然后它会环绕火星飞行近3个月，在2021年5月择机登陆火星。然后开出火星车，实现火星飙车的成就，即“绕落巡”三步走一次完成。

　　天问一号艺术示意图。这次任务将综合使用轨道器和着陆器/巡视器来研究这颗红色星球（《中国首次火星探测任务即将展开，先来听听首席科学家的“剧透”》）

　　2021年2月9日，阿联酋的“希望号”预计进入火星轨道。2月18日，美国的火星车“毅力号”预计将登陆火星。祝大家好运。

　　在火星探测上，美国是走得最远、贡献最多的。近年来，一大发现就是火星上有水，虽然是在地下，而且是含盐量很高的水。有水就可能有生命，因此，现在火星探测的一大重点就是往地下寻找生命。很有可能，会在两年之内宣布发现火星生命。

　　2020年的一大新闻，是中国的嫦娥五号为人类自1976年以来，即时隔44年之后，首次从月球取回了样品（《独家采访中国航天人：上万工程人员研制十年，换2公斤月壤，非常值得！| 科技袁人》）。这1731克的月壤样品主要储存在中国科学院国家天文台，还有一部分放在毛主席的故乡湖南韶山作为异地灾备，以告慰中国人民“可上九天揽月”的夙愿。

　　嫦娥五号返回

　　下一步将开启对月壤的研究，这对月球起源、太阳系演化等科学问题有重要价值。月壤研究的主要单位包括中国科学院的两个机构，国家天文台以及地质与地球物理研究所。我在他们那里有不少朋友，有什么重要成果，会及时向大家报道。

　　2021年，在月球探测方面，英国、印度、俄罗斯和美国也有行动计划（《2021年世界空间科学任务发射展望：以重大科学目标为牵引 | 不以大小论英雄》）。

　　英国的目标是，继美俄中之后，第四个实现月球飙车的成就。不过英国的月球车不怎么像车，倒更像个蜘蛛，因为它不是有四个轮子，而是有四条腿。事实上，英国月球车的名字就是“晨蜘蛛”（Asagumo）。

　　晨蜘蛛月球车示意图

　　印度的目标是，再次尝试月球软着陆。上一次尝试是在2019年9月7日，印度“月船2号”的软着陆变成了硬着陆，着陆器撞到了月球上（《印度落月失败：从“画扇面”到“小目标” | 袁岚峰》）。祝这次他们的“月船3号”好运。

　　印度空间研究组织（Indian Space Research Organisation，简称ISRO）为月船3号发的海报

　　俄罗斯的目标是，在月球的陨石坑着陆，寻找水的痕迹。这个探测器叫做“月球-25号”，又称为“月球-水珠”（Lunar-Glob）着陆器。而这个系列的上一个任务，就是在嫦娥五号之前最后一次从月球取回样品的“月球-24号”，那还是在1976年。

　　月球-25号

　　美国的目标是，把无人试验飞船送入远距逆行轨道（distant retrograde orbit）。这将是他们重返月球的“阿尔忒弥斯计划”（Artemis）的第一步。

　　空间发射系统和猎户座飞船 来源：NASA

　　2021年国际天文界的一个重头戏，是跳票多年的詹姆斯·韦伯空间望远镜（JWST）终于要发射了，预定10月31日在法属圭亚那发射（《2021年世界空间科学任务发射展望：以重大科学目标为牵引 | 不以大小论英雄》）。韦伯望远镜计划的发射时间从2007年一路推迟到2021年，耗资从5亿美元一路飙升到100亿美元，它已经成了一个传奇。

　　如果这次发射顺利，它将到达日地拉格朗日点L2，即日地连线在地球外侧约150万公里的地方，这个位置可以使它相对于地球和太阳保持静止。让我们祝它好运，祝全人类好运。

　　韦伯望远镜和它的目的地拉格朗日L2点 来源：ESA/NASA

　　2021年，中国的空间站将开始组建。首先发射的，是核心舱“天和号”。

　　中国空间站

　　空间站既是载人航天的重要平台，也是科学实验的重要平台。空间站将配置超冷原子、高精度时频、高微重力等13个科学实验柜，可开展空间生命、流体燃烧、材料、基础物理等研究和实验。舱外设置的空间环境监测载荷，可为空间站提供太阳活动和大气密度等空间环境监测及预报支持。

　　我来为大家解释一下。超冷原子是利用原子的量子效应，实现常规方法无法达到的精密操控。例如超高精度的原子钟，从宇宙诞生至今的138亿年内误差不超过1秒。在这个意义上，空间站可以看作一种科学基础设施。

　　最近，中国建成了一个重要的科学基础设施：跨度4600公里的天地一体量子通信网络（《跨越4600公里，中国量子通信全球领先，欧美多久才能追上？| 袁岚峰》）。它包括2016年发射的世界第一颗量子科学实验卫星“墨子号”与2017年开通的世界第一条量子保密通信干线“京沪干线”，为量子通信的大规模应用奠定了基础。在这个领域，中国领先欧洲3至5年，领先美国5至8年。

　　天地一体化量子通信网络示意图

　　量子通信网络的基本功能，是实现不被任何数学攻击破解的加密数据传输。此外，利用相通的量子精密测量技术，量子通信网络还可以用于超高精度授时系统这样的实用目的，以及用天地超大尺度量子干涉来检验量子力学与广义相对论的融合这样的基础研究目的。

　　我国科学家利用“墨子号”量子科学实验卫星率先开展引力诱导量子纠缠退相干实验检验（http://news.ustc.edu.cn/info/1055/49852.htm）

　　在量子精密测量方面，最近有一个惊人的初步结果，来自中国科学技术大学杜江峰院士研究组（https://www.toutiao.com/w/a1689663206631435/）。他们在“金刚石色心量子比特”这个方面是世界领先的，这种体系可以作为超高精度的探测器。他们以前所未有的精度探测自旋-物质相互作用，发现了全新的现象，看起来很像一种暗物质的候选粒子“轴子”（axion）。

　　这个结果还没有完全确认，所以大家说话都很谨慎。但如果确认了，就可能超越现在粒子物理的标准模型，也许会开启科学革命。这篇论文的标题叫做《在单个自旋与移动的质量之间观测到一种新的相互作用》，大家可以体会体会。

　　《在单个自旋与移动的质量之间观测到一种新的相互作用》（《虫洞在望—杜江峰团队革命性成果或可测量类暗物质》）

　　量子科技除了量子通信和量子精密测量之外，还有一大领域是量子计算。

　　2020年12月，中国的量子计算机“九章”实现了一个里程碑，即对某个问题超越了现有最强的超级计算机（《让中央集体学习的量子科技究竟是啥？这个科普我已经做了五年（五）在九章中介绍九章 | 袁岚峰》）。这个里程碑叫做实现“量子优越性”（quantum advantage），他们处理的这个问题叫做“玻色子取样”（boson sampling），用的物理体系是光学。

　　九章光量子干涉实物图（《比最快的超级计算机快一百万亿倍！中国科学家实现“量子计算优越性”里程碑》）

　　左下方为输入光学部分，右下方为锁相光路，上方共输出100个光学模式，分别通过低损耗单模光纤与100超导单光子探测器连接。

　　摄影：马潇汉，梁竞，邓宇皓

　　2019年，谷歌的量子计算机“悬铃木”（Sycamore）第一个宣布实现了量子优越性。他们处理的问题叫做“随机线路取样”（random circuit sampling），用的物理体系是超导电路。因此，九章的成就是第二个实现量子优越性，第一个用光学体系实现量子优越性。

　　谷歌论文图1对“悬铃木”量子计算机结构的演示

　　量子计算的技术路线除了光学和超导之外，还包括离子阱、冷原子、核磁共振、金刚石色心等等。其他各个技术路线、各个实验组也都在不断努力，争取尽快撞线。所以，过不久可能就会听到离子阱实现量子优越性，冷原子实现量子优越性等等。

　　需要说明的是，实现量子优越性只是量子计算机发展过程中的关键节点之一，后面还有很长的路。例如下一步是用量子计算机解决具有重大实用价值的问题，这可能在5年内实现。再下一步是研制可编程的通用量子计算原型机，这可能需要20年或更长。

　　下面来看粒子物理，它的进步依赖于加速器和探测器。

　　目前人类最强的加速器是欧洲的大型强子对撞机（Large Hadron Collider，简称LHC），它最著名的成就是在2012年发现了希格斯粒子（Higgs boson），补上了标准模型的最后一块拼图。此后它一直在寻找新物理的踪迹，但还没有突破。LHC正在进行亮度升级，预期2026年完成，将亮度即单位时间里粒子的数量提升到原来的5至10倍。

　　大型强子对撞机

　　中国的大型对撞机计划争论了几年，目前还没有确定是否要建设（《要不要造大型对撞机是个优先级排序问题，很多人却把它当成阴谋问题 | 袁岚峰》）。它的正式名称是环形正负电子对撞机（Circular Electron-Positron Collider，简称CEPC）。如果建成，CEPC将成为世界上最强的希格斯粒子生产工厂，把希格斯粒子各项性质的测量精度提高一个量级。

　　大型对撞机概念图（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个发展方向，称为非加速器物理。它是用探测器接收宇宙线粒子或非加速器手段产生的粒子，以寻找新现象和新物理。

　　例如日本的超级神冈探测器（Super-K），最初目的是探测质子衰变。这个目标没有实现，却意外地发现了太阳发出的中微子可以在三种类型之间转换。这种现象叫做“中微子振荡”，说明中微子不是像传统认为的那样质量为零，而是有非零的质量。超级神冈的主持人小柴昌俊，因此获得了2002年的诺贝尔物理学奖。

　　小柴昌俊抱着他成功的关键，20英寸光电倍增管（http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2002/illpres/kamiokande.html）

　　中国迄今为止在粒子物理领域最重要的实验成就之一，就是中微子振荡几率的精确测量（《大亚湾中微子实验正式退役，江门接棒开启中、美、日新一轮竞争｜专访中科院高能所温良剑 | 科研圈》）。这个项目叫做大亚湾中微子实验，是一个中美合作的项目。大亚湾核电站发出很多中微子，为这个实验提供了材料。具体地说，大亚湾中微子实验测定了中微子之间的混合角θ13。项目主持人、中方的王贻芳院士和美方的陆锦标院士，因此获得了2016年的基础物理学突破奖。

　　在大亚湾实验中，8 个完全相同的中微子探测器分别安装在 3 个地下实验洞室内，其中 4 个两两一组，分别靠近大亚湾核电站和岭澳核电站；另外 4 个位于大亚湾北部山地深处。大亚湾实验示意图。图片来源：中科院高能所

　　奇妙的是，虽然我们已经知道中微子有三种，以及它们之间的转化几率，但直到现在我们还不知道这三种中微子的质量顺序，即到底谁轻谁重。这将是大亚湾中微子实验的后继者——江门中微子实验（Jiangmen Underground Neutrino Observatory，简称 JUNO）的任务。

　　江门中微子实验规划图。图片来源：中科院高能所

　　2020年12月12日，大亚湾中微子实验正式退役，它可能会改建成一个科普基地。江门实验正在建设，两年后那里将建成全世界最大的液体闪烁体中微子探测器。再加上美国的深层地下中微子实验（DUNE）、日本的顶级神冈探测器（Hyper-K），未来十年中全世界预计共有三台大型中微子实验陆续启动，新一轮竞争正在拉开序幕。

　　江门中微子实验探测器示意图，探测器主体为一个直径 30 米的有机玻璃球。图片来源：中科院高能所

　　在粒子物理与宇宙学方面，中国有不少大型探测器正在建设和运行。例如探测宇宙大爆炸产生的原初引力波的西藏阿里原初引力波偏振望远镜（AliCPT）（《宇宙学家：回国就被国际项目拉黑了 中国：要啥我给你造！| 科技袁人》），探测暗物质的四川锦屏地下实验室（CJPL），以及探测高能宇宙线的四川稻城高海拔宇宙线观测站“拉索”（LHAASO）。

　　最为公众所知的是“中国天眼”，位于贵州大窝凼的500米口径球面射电望远镜（FAST）。它是目前世界最大的单口径射电望远镜（《有人认为FAST是烧钱作假——听蝲蝲蛄叫就不种庄稼了？| 袁岚峰》）。2020年，FAST在快速射电暴和脉冲星方面取得了重要成果，并开启了对外星文明的搜索。

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

　　前面这些是地上的探测器，还有天上的。例如探测暗物质的“悟空”卫星（DAMPE），探测硬X射线的“慧眼”卫星（HXMT），探测引力波的“太极计划”和“天琴计划”，以及探测引力波暴高能电磁对应体的“极目”卫星（GECAM）（《引力波暴高能电磁对应体全天监测器卫星，你知道怎么断句吗？｜袁岚峰》）。

　　空间太极计划-引力波探测星组（https://view.inews.qq.com/w2/20200218A0MDKO00）

　　工欲善其事，必先利其器。我们无法预测这些探测器什么时候会有重大发现，但种子撒下去了，就必然会有收获。

　　最后，我们来介绍一下人工智能。在2016年AlphaGo战胜李世石以来，这个领域又经历了一次过热和收缩。几年之间，已经有不少人对人工智能的看法从“奇点将至”变成了“又一个就业大坑”。

　　不过，只要抹去不切实际的期望，就会看到人工智能是在迅速前进的，至少在技术层面。例如2020年的一大突破，就是AlphaFold对蛋白质折叠实现了前所未有的预测精度，在有些地方甚至比实验精度还高。这对生物、制药等领域具有重大意义，可能开启一场革命。

　　在两年一次的 CASP 竞赛中，各组争先预测蛋白质的 3D 结构。2020年，AlphaFold 击败了所有其他小组，并在准确性方面与实验结果相匹配（《「它将改变一切」，DeepMind AI解决生物学50年来重大挑战，破解蛋白质分子折叠问题》）

　　因此，我们对人工智能，不应该期望它本身单骑突进，把我们带入“永生或毁灭”、“意识上传”、“机器人统治人类”这种玄学讨论，而应该期望它跟其他科学或产业领域结合起来，帮助其他领域实现突破。这会是实实在在的进步。

　　以上，我们介绍了若干个领域在2021年以及不远的将来值得关注的热点。其他领域，例如材料科学、地质学、考古、生物学，当然也会有重要的热点，欢迎专家朋友们来解读。

　　祝大家在新的一年里，更加热爱科学，关注科学，为科学事业做出更大的贡献。