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2020 大国科技

  2020年10日3日,北京西单口的“科技强国”花坛。 视觉中国供图

  吴尊友

  

     徐颖

  薛其坤

  胡伟武

  朱定真

  郑永春

  编者按

2020年是极不平凡的一年。新冠肺炎疫情全球大流行,没有阻挡中国的科技发展。抗击新冠肺炎疫情彰显我国科技力量、长征五号B运载火箭成功首飞、中国测量队成功登顶再测珠穆朗玛峰、北斗三号全球卫星导航系统正式开通、天问一号发射升空奔向火星、奋斗者号刷新载人深潜纪录、嫦娥五号携带月壤成功返回……捷报频传、喜报不断。

今天,我们推出专题,盘点2020的大国科技。让我们一起回顾2020年重大科技事件,展望未来创新发展趋势,迈进2021年。

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抗击疫情引出四大科学发现

作为2020年全球最重要的公共卫生事件,新冠肺炎疫情牵动每一个人的神经。在中国疾病预防控制中心流行病学首席专家吴尊友看来,在科学研究方面,分离新冠病毒、破解病毒基因序列、确定平均潜伏期、确定传播方式,成为2020年最重要的科学发现。

“这四大科学发现,奠定了认识一种新型传染病的基础,也奠定了我们制定科学防控策略的基础。这四大科学发现,也是中国科学家为抗击全球新冠肺炎疫情作出的最重要的贡献。”吴尊友说。

有人不明白,破解病毒基因序列有什么意义?吴尊友说,实际上,病毒基因序列是人们认识一种病原体最重要的生物特征指标——有了基因序列,就可以生产诊断试剂;有了基因序列,就可以研制预防疫苗。因此,上述四大科学发现,奠定了我国乃至世界控制新冠肺炎疫情的科学基础,也是中国科学家为世界控制新冠肺炎疫情作出的最重要的贡献。

在吴尊友看来,在这场必须打赢的抗疫战斗中,中国科学家跑出了中国速度。在武汉疫情得到控制以后,我国又陆续出现了几起聚集性的疫情,比如北京新发地市场、大连、青岛、新疆喀什等地。

“在控制这一系列疫情的过程当中,我们采取的主要措施包括四个方面。第一是早发现、早隔离、早治疗;第二,根据传染病传播规律,在发现感染者以后,进行流行病学调查,确定密切接触者,并对密切接触者进行管理;第三,采用核酸检测的方法来确定疫情的规模,发现早期的感染者。第四,治疗病人。”吴尊友说。

近来,我国多地又发生了零星散发的病例。吴尊友说,我国的新冠肺炎疫情得到控制后,如果再次发生疫情,病毒一定“有来头、有源头”。病毒一般应该有以下几种来源——

首先,境外回国的人员中,可能有感染者。把这些感染的人管住了,就能够在一定程度上控制住疫情。

第二,目前在医院接受治疗的病人。

第三,境外输入的物品。这些物品在夏季,主要是冷链运输的物品,进入冬季以后,所有从境外输入的物品都有可能带有病毒,都有可能造成人的感染。

第四,某些研究病毒的实验室里面有病毒。如果实验室安全措施不到位,造成工作人员感染,也会造成疫情的扩散。

吴尊友说,从这几个方面可以看出,新冠肺炎疫情的再次发生,要么是“人传人”造成的,要么是“物传人”造成的。针对“人传人”的情况,我国已经建立了一整套体系。目前,相关措施已经非常完善,由这种方式造成的风险比较小。

“相信在2021年,我们将战胜新冠肺炎疫情。”吴尊友说,在已经过去的2020年里,中国向世界展示了中国力量。中国科学家不负众望,用科学技术认识新冠肺炎,用科学技术指导新冠肺炎防控,让中国成为全球新冠肺炎疫情控制最好的国家。在2021年,相信我国还会继续引领世界抗击新冠肺炎疫情。

2020年的最后一天,人们迎来一个好消息:国务院联防联控机制发布,国药集团中国生物新冠灭活疫苗已获得国家药监局批准附条件上市。已有数据显示,保护率为79.34%,实现安全性、有效性、可及性、可负担性的统一,达到世界卫生组织及国家药监局相关标准要求。后续,疫苗免疫的持久性和保护效果还需持续观察。

2021年,这样的好消息或许会更多。

北斗三号收官

都说2020年是中国航天大年,在这一年,中国航天迈出了很多坚实的步伐:“北斗”“天问”“嫦娥”,等等。其中特别引人注目的就有北斗三号全球卫星导航系统的收官之战。

中国科学院空天信息创新研究院研究员、北斗导航系统科学家徐颖说,从1983年陈芳允院士提 出双星定位的思想开始,到2020年北斗三号最后一颗组网卫星发射,北斗系统已经完成了它自己的建设,也在人们的生活当中获得了很多的应用。

她列举了一些例子:人们用手机打车,确定自己和师傅之间的位置,其实就会用到北斗系统。此外,在渔船航运当中,北斗也能给出海的渔民提供一个发短信报平安的方式,如果遇上危险,渔民还可以借此及时向海警求救。

根据中国卫星导航系统管理办公室的统计,2020年第一季度,在我国入网的智能手机,已经有70%以上提供北斗服务。共享单车配装北斗终端实现精细管理,牧民坐在家里就能通过北斗项圈放牧牛羊,支持北斗系统的手表、手环、学生卡,更加方便和保护人们日常生活。通过“北斗+支付”,能对1秒钟内成百上千的股票、车票购买申请进行精确排队,按序办理。

“业内有这样的一句话:北斗卫星导航系统的应用只受制于人们的想象力。”徐颖说,可以期待随着北斗系统的建成,北斗系统在新的一年中,有望在应用和推广方面大放异彩,真正让每一个中国人都用上我们自己的北斗。

北斗系统是通过什么来实现导航定位和授时服务的?据徐颖介绍,北斗的基本原理叫做“三球定位”。所谓“三球定位”,就是科学家首先测量用户和卫星之间的距离,从中可以知道,用户在以卫星为球心,以某个距离为半径的一个球体上。之后,可以继续测量它和卫星二、卫星三之间的距离,这三个球会交汇在一个点上,这个点就是用户的位置。这也是全世界所有卫星导航定位系统的基本原理。

徐颖说,在北斗卫星导航系统建设过程中,有一个非常核心的关键部件,叫做星载原子钟,曾经受制于人,如今通过科技人员的不懈努力已经实现国产化。

事实上,截至目前,包括星载原子钟的核心器件在内,北斗三号已经实现了100%的国产化,像氢钟、铯钟、铷钟、钙钟、冷原子钟等等都已经做得非常成熟。这就是科学家常说的,国家重大科研项目的需求牵引着国家基础技术的突破。

徐颖说,北斗系统还有一个隐藏能力——授时,也就是科学家所说的时间同步。她说,既然北斗有这么高精度的时钟,那么它也可以给我国其他系统做精准的时间同步,在我国的电力、金融、通信等关系着国计民生的行业,为它们提供精准的时间服务。

“2021年,北斗系统将在它的应用和推广上取得更大的突破,让我们一起期待,一起努力。”徐颖说。

量子技术大热

2020年下半年,“量子科技”概念再次热了起来,但究竟什么是量子科技,很少有人能说清楚。

在中国科学院院士、北京市科学技术协会副主席、南方科技大学校长薛其坤看来,现在有很多人在炒作量子产品,比如说“量子鞋垫”“量子水杯”,这些概念显然是不正确的——因为量子力学是描述原子、电子等微观粒子的科学。

那么,目前世界上就没有真正的量子技术、量子产品吗?

薛其坤说,实际上,在信息社会,有很多量子产品已经得到了应用,只是我们没有为它们冠上量子这个词,人们可能也不知道它们与量子科学的联系。比如,计算机用来存储信息的硬盘,光纤通信的激光,卫星定位系统用到的原子钟,这些其实都属于量子技术、量子产品。

据薛其坤介绍,量子是科学家在上个世纪初,为了描述微观世界的状态和微观世界的运动规律所提出来的概念,它是一份一份的。正如描述人时,人们常说“一个人”“两个人”,而并非“一个半人”或“1.3个人”一样,量子所描述的,正是一个不可分割的最小单元。

在2012年年底,薛其坤团队发现了“量子反常霍尔效应”。这是描述材料中电子运动规律的一个效应。在量子反常霍尔效应的状态下,材料中的电子就像高速公路上的汽车一样,排着队、有序地运动。因此,该效应可以应用在未来的电子器件、计算机芯片中,一旦用上了以后,所消耗的电会大大减少,电子器件的运行速度也会加快。

“量子反常霍尔效应的发现,给了我们什么启示呢?”薛其坤说,一个重要启示就是高精尖实验技术的打造十分重要,这也是科学创新非常重要的一点。有了金刚钻,才能揽瓷器活。现代科学技术发展到今天,这种高精尖实验技术的打造,就像打造金刚钻一样,非常重要。

他还专门提到,科学传播不仅是科学知识的传播,还应该包括科学精神的传播,科学思想的传播以及科学方法的传播。“‘少年强则国强’,我衷心地希望广大青少年热爱科学、追逐科学,将来做一个科学家,为中华民族的伟大复兴作出你们的贡献。”薛其坤说。

核心技术自立自强

刚刚过去的2020年,不少人在关心着芯片,以及如何发展芯片的核心技术。

中国科学院计算技术研究所研究员、中科技术股份有限公司董事长胡伟武被媒体称作“龙芯之父”,在他看来,研发自己的芯片还是要走“市场带技术”的道路——立足于科技的自立自强,通过自主研发把核心技术掌握了,然后在体制内市场的带动下发展起来,并且走向开放市场竞争。

“有的产品像‘养猪’,确实一年就能出来;有些产品像‘养牛’,三年就可以犁地去了;而一些核心技术产品则像养孩子:我们没见过谁家孩子五岁就能挣钱养父母的,你得养他二三十年——核心技术产品包括‘工业的心脏’发动机,包括‘信息产业的心脏’CPU,这些都是需要花二三十年工夫甚至更多时间,才能掌握的。我们要走这条路。”胡伟武说。

他以“龙芯”为例,龙芯团队从2000年开始筹备,2001年在中科院计算所开始研发龙芯CPU。

“中国要不要做自己的CPU?刚开始我们没有得出共识。有些人说:我们明明可以买到很便宜、很好用的东西,你为什么要浪费钱来做这个事情?”胡伟武说。

2010年,胡伟武团队开始转型做企业、要让市场来检验,走向产业。他们总体上干了两件事:一个是把中科院计算所的科研成果(样品)变成产品;一个是在市场中“试试看”——到现在为止,他们已经进行了3轮迭代。

据他介绍,第一轮试错花了5年时间,2015年,龙芯CPU出货了,每年出货几万片,解决了数以千计的问题;第二轮是2016年到2019年,每年能卖几十万片,同期又解决数以千计的问题;现在是第三轮试错开始,在过去的2020年,他们的CPU已经卖到上百万片了。

“我们相信,到2022年,被体制内的市场带动了3轮迭代后,龙芯CPU有能力走向开放市场。”胡伟武说,在多年的试错过程中,龙芯技术水平不断提高,如今龙芯生态已包含几千家企业,形成了一个产业链,其软件生态也不断丰富,CPU性能提高了12倍。

在他看来,做核心技术的人,不仅要“撸起袖子加油干”,还需要“耐着性子坚持干”。核心技术产业,是以30年为周期的。他相信再有10年,就可以做出一个新的龙芯生态。

“有些东西是不能取巧的。如果把科技创新比作一个数学函数,我们常关注3个变量:体制机制的改进、经费的投入,还有人才。但创新这个函数需要第四个变量,也就是时间、耐性。”胡伟武说,“两弹一星”的先辈,靠的也是“5+2”“白加黑”的直道追赶,只要依靠实事求是的作风、自力更生的精神、愚公移山的精神,就能干好它。

天气预报还做不到100%准确

天气预报到底准不准,这是人们每逢出门都可能会想起的一个问题。2020年暴雨频发,再次让人们关注到它。

有人认为,国家投入了许多经费,也有那么多的科学家在研究天气,人们似乎早该把天气的原理和预报掌握了,能100%地作出准确预报。但在中国气象局公共气象服务中心气象服务首席朱定真看来,天气是一个非常复杂的过程,从科学上讲,现在还做不到100%的预报准确率。

据他介绍,所谓气候是一个大背景,水圈、岩石圈、生物圈、冰雪圈、大气圈,五大圈层交互影响共同形成了特有的气候,再加上变化多端的大气环流,整个过程异常复杂。而天气,又是在气候这个背景下发生的。

正因如此,几乎所有的国家都拿出自己最快最大的计算机,用来计算气象问题——它涉及的信息量太大了、影响因素太多了,不用最快最大的计算机根本不够处理。

“除了观测手段、综合处理数据的能力和快速计算能力要提高以外,我们还要重新认识一下对天气的理解。”朱定真说。

他以2020年6月梅雨期间的一次暴雨为例,这种在气象图上一个一个凸起的对流云团,气象人叫它中小尺度的对流云团。这种气象是天气预报领域最难报的,它属于特别典型的突发天气。

朱定真打了一个比方:想要预测它,就相当于人们在家煮牛奶或者煮麦片,当前者要煮开的时候,人们都知道要冒泡了,可是谁能猜出来第一个泡在哪儿、第二个泡在哪儿?放到天气预报里,哪里冒泡就是哪里有局地对流,这是不确定性的、短时间内突发的,波及的范围尺度也很小。

“气象人对于这种强对流天气,只能说清楚它在什么样的天气背景下会出现,但一定要说几点几分什么地方会出现,那是很有难度的。”朱定真说。

他还表示,对于更长期的预报,比如对7天以上、10天以上甚至于一个月两个月的天气预测,也是比较困难的。在这个过程中,干扰因素太多,它的准确率也必然会下降,正因此,“一短一长”现在依然是气象预测的难点。

曾有人问朱定真,对气象预测的未来有什么想法,或者对2021年有哪些期待?

他想到最重要的一点是,气象人必须继续秉承科学精神,去做好气象服务。但与此同时,他也希望公众能够用更科学的态度来看待气象服务、来支持气象事业,在人们共同的努力下,让气象为生命安全、生产发展、生活富裕、生态良好作出更精彩的服务。

从月球到火星,奔向星辰大海

2020年12月19日,国家航天局向中国科学院移交了嫦娥五号从月球采集回来的月球土壤和岩石样品,共1731克。中国科学院国家天文台专门为此建设了月球样品实验室,保存分配这些月球土壤和岩石,并组织科学家开展科学研究。

有人说,1731克的月球土壤是不是少了一点?毕竟,美国已经采了两三百千克的月球土壤。在中国科学院国家天文台研究员郑永春看来,对于月球样品,重量并不是最为关键的因素,如今的高精尖分析仪器,不必说1731克,即便是170克样品,也可以满足很多分析需求。相比样品重量,科学家更希望,从月球上的不同地区,采集回多样化的月球土壤——那里含有更丰富的信息。嫦娥五号做到了。

经过16年的努力,我国探月工程“绕、落、回”三步走已经圆满收官,接下来,“探、登、驻”中的“登”和“驻”也将在路上。据郑永春介绍,探月阶段完成之后,就要进行登月和月球驻留的工作。

“月球是人类走向深空的一个前哨基地和中转站。既然探月已经成功,那么登月和驻月也即将到来。”郑永春说,这是一个可以持续几十年,甚至上百年的事业,人们可以为此持续地努力。

2020年,我国还有一个航天器备受瞩目,它是天问一号,如今正在飞向火星。截至2021年1月3日,天问一号已经在轨飞行163天,飞行里程突破4亿公里,距离地球约1.3亿公里,距离火星约830万公里。

天问一号的任务是我国独立开展行星际探测的第一步,将通过一次发射实现对火星的“绕、着、巡”,即火星环绕、火星着陆、火面巡视。

2020年7月23日,郑永春在位于海南的中国文昌航天发射场,亲眼目睹了长征五号火箭携带天问一号探测器飞向太空。这个火星探测器在2020年国庆节,传回它在亿万公里之外的一张“自拍照”——

一片漆黑的太空中,鲜艳的五星红旗让每个中国人心潮澎湃。而在2021年春暖花开之际,来自中国的火星车则将登陆火星。按计划,天问一号将在一个多月后实施近火制动,进入环火轨道,准备着陆火星。

“那时,这颗红色星球将第一次迎来中国的探测器,中国将在全世界成为又一个探测器登陆火星的国家。我非常期待这一天。”郑永春说。

据他介绍,火星是一颗类地行星,有北极有南极有赤道,有东半球有西半球,还有大峡谷。甚至,火星上还有整个太阳系最高的山峰,叫奥林匹斯山,它有珠穆朗玛峰的两三倍之高。

更让人感兴趣的是,火星上曾经有过大规模的液态水,即便是现在,它的地下还有冰川的迹象,还有卤水湖。

“火星,是整个太阳系里和地球环境最像的行星,也是人类从地球出发,唯一有可能实现大规模移民的星球。”郑永春说,虽然现在的地球看似一切安好,但如果看看地球历史的记录就会知道,地球上的生命在未来必然会面临大灭绝的命运,因此,人类必须居安思危,未雨绸缪。

“未来人类将从地球出发,先到月球,再到火星。只有人类在地球和月球之间来去自如的时候,才能走向更远的火星。”郑永春说。

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