看到科技新聞,你會從多少個角度去理解|袁嵐峰

關註風雲之聲

提升思維層次

導讀

公眾關註科技新聞的理由一般可以分為四類:一類是國家排名,典型語言是“超越了某某國家”;一類是終極目標,典型語言是“星辰大海”;一類是基礎設施,典型語言是“工欲善其事必先利其器”;還有一類才是科學成果本身,典型語言是“擴展人類知識邊界”。

本文是作者應共青團中央機關刊《中國青年》之邀,為“2021全球前沿科技博覽”專題寫作的文稿

這個專題的名字雖然是“2021全球前沿科技博覽”,不過科技前沿無窮無盡,我隻能向大家講講自己所知的這十分有限的一部分。掛一漏萬之處,還望各個領域的專家多多指正。

仔細為讀者們想一想,我覺得在講解各個領域之前,更有價值的是先為大家提供一個大圖景。對於一個科技新聞,我們為什麼會去看它?也就是說,這個科技新聞的重要性何在?當我們認真思考這個問題,就會發現公眾關註科技新聞的理由一般可以分為四類:一類是國家排名,典型語言是“超越了某某國家”;一類是終極目標,典型語言是“星辰大海”;一類是基礎設施,典型語言是“工欲善其事必先利其器”;還有一類才是科學成果本身,典型語言是“擴展人類知識邊界”。下面我們來分類闡述一下。

最常見也最容易理解的,是爭奪排名。許多人一提到科研首先想到的是為國爭光,就是因為這種宣傳。在這個層面上,中國目前大部分的成果還屬於追趕,即別人已經做到了某件事,現在我們也做到了。例如美國和蘇聯都曾經從月球取樣返回,現在中國的嫦娥五號也做到了。以前隻有美國成功登陸過火星,現在中國的天問一號也做到了(祝融巡視,兩器合影,天問一號會開展哪些科學探測?| 行星事務所)。

2021年6月11日,中國國家航天局公佈祝融號火星車與著陸平臺的合影

有趣的是,2019年中國嫦娥四號在月球釋放的月球車玉兔二號仍然在正常工作。因此,中國成了目前唯一的同時在兩顆地外星球上有工作中的巡視器的國家。

2019年1月11日,玉兔二號月球車與嫦娥四號著陸器兩器互拍

更有趣的是,《日本經濟新聞》為此發了個社論:敦促中國有序開發宇宙。雖然內容一如既往的雙標,硬往威脅論上拉,但這標題本身就挺令人舒適……歡迎這樣的敦促,我們會努力有序開發宇宙的!

《日本經濟新聞》社論:敦促中國有序開發宇宙(日文)

《日本經濟新聞》社論:敦促中國有序開發宇宙(中文)

這是一個鮮明的例子,說明當你超過他足夠多的時候,他的宣傳策略就不得不變化了。這令人聯想到,中國剛開始載人航天計劃的時候,外界有許多懷疑和嘲諷的聲音。對於楊利偉、翟志剛等航天員的成就,臺灣媒體提出過許多理由,論證這些鏡頭是在水池中拍攝的(我們應該如何紀念登月(一)為什麼登月陰謀論是荒謬的 | 袁嵐峰)。然而現在,就很少聽到這樣的聲音了。因為中國的航天成就太明顯,無法用陰謀論簡單抹殺了。

神舟七號造假論

僅僅在一年之前,事情還不是這樣,那時中國航天跟印度比誰高誰低還不好說。印度方面最強的論據是火星探測。

中國第一次火星探測的嘗試是在2011年,當時中國的探測器“螢火一號”參與俄羅斯的“福波斯-土壤號”探測計劃,搭乘俄羅斯的火箭升空。但福波斯-土壤號進入地球軌道後芯片失效,無法變軌,最終在大氣中焚毀。而印度的火星探測第一次嘗試就很成功,“曼加裡安號”探測器在2014年9月進入火星軌道,至今還在傳回數據(天問:火星與人類的未來 | 袁嵐峰)。所以印度保持了“第一個也是唯一的一個首次探測火星就完全成功的國家”的紀錄,在這方面比中美俄歐日都強!

曼加裡安號火星探測器宣傳圖:我在火星軌道上

現在外界就不會把中印的火星探測相提並論了,因為明顯不在同一層面上。天問一號一次就實現了“繞落巡”三大目標,而以前美國之外的國家,包括俄羅斯、歐洲、印度、日本等,隻實現了“繞”,沒有一家實現“落”的,“巡”就更不用提了。媒體即使再偏心,也沒法論證美國之外其他國家的航天比中國強,於是隻好把宣傳策略改成威脅論了。這真令人想起,“法國報紙報道拿破侖登陸”的那個故事。

天問一號藝術示意圖

排名上升除了有振奮人心的作用,還有直接的經濟效益,即提升整個國家的形象,使得整個國家的商品在國際市場上能夠賣高價。在這個意義上,火星登陸、月球采樣等活動跟2008年奧運會開幕式一樣,都是國家形象的廣告,而且是很成功的廣告。

對於很多人來說,能認識到這一層已經是大有進步了,不會再去問“投錢搞科研有什麼用”這種不入流的問題。不過,我們也需要清醒地認識到,國家地位和形象隻是科研的附帶效果,而不是本質效果。所以,下面我們來看其他類型的科技新聞。

第二大類是“星辰大海型”,即一般人對它的興趣主要是在研究的終極目的上,而不是在技術細節上。在這方面,最典型的例子就是可控核聚變。大多數人都能理解,可控核聚變是人類在現有技術條件下有望掌握的最強的能源,是人類亟待攀登的下一級大臺階。但如果要講具體的原理與實驗條件,如等離子體高約束模式、聚變三重積、第一壁、偏濾器、氦灰、氚自持等等,大多數人就不知所雲了。

1.2億攝氏度燃燒101秒

因此,每當有一個可控核聚變的新聞出來,公眾都會很關心,不過對技術細節就總是“不明覺厲”。如果要提問,問題也大都是“離實現可控核聚變還有多少年”。對於這個老生常談的問題,研究人員的回答也總是“還有50年”。聽起來這個回答似乎也是老生常談,簡直像是在敷衍。但其實,這個50年現在是個實數,而不是虛數。

2020年7月28日,國際熱核聚變實驗堆(ITER)開始在法國組裝,預期2025年建成。全世界所有有實力的國家都在參與ITER,包括中、美、俄、日、韓、印,以及作為東道主的歐洲。同時,中國獨立建設的中國聚變工程實驗堆(CFETR)也在進行工程設計,預期2030年代建成。

中國聚變工程實驗堆CFETR建築群效果圖

ITER的目標,是為未來的核聚變反應堆提供氘氚等離子體物理基礎。CFETR的目標,是為建堆提供工程基礎,尤其是材料、氚循環和遙操作,同時在超導和加熱方面繼續加強。國際聚變界希望在2050年左右建成示范堆DEMO,在這方面中國的規劃是引領世界的。如果一切順利,希望在2070年左右建成有商業價值的核聚變發電站(沖出太陽系的第一步 | 袁嵐峰)。你看,從現在到2070年不正好是50年嗎?

中國磁約束聚變發展路線圖

我還想告訴大家,雖然可控核聚變是等離子體物理中最引人關註的話題,但等離子體物理的研究范圍遠不止此。例如,等離子體可以用於航天發動機的電推進,可以用於對芯片和電池的加工,可以用於向化學體系定向註入能量,由此就可以用於消毒殺菌,可以用於淡水凈化,可以用於傷口止血,甚至可以用於治療癌癥(科大等離子體,星辰大海歡迎你 | 袁嵐峰)。

電推進大大擴展我們在太陽系中推動航天器的能力(《等離子體科學十年進展與展望(2020)》)

而在根子上,等離子體基礎理論已經很長時間沒有突破了,現在這方面的理論仍然十分復雜,大大限制了我們的預測能力。因此,如果你對可控核聚變的關心更加深入,你就會關心到等離子體的廣泛應用,關心到等離子體的基礎理論。也許需要基礎理論的突破,才能把人類帶入下一個大臺階。

下面我們來談第三類科技新聞,“工欲善其事必先利其器型”。大家應該樹立一個基本觀念:現在的科學,早已不是像科學的幼年那樣通過日常觀察就能做出重大發現了,而是越來越多地依靠實驗儀器的進步。隻有更好的儀器,才能得到更高精度的測量結果。隻有測量的精度更高,才能發現以前無法發現的現象。因此,探測器的進步本身不是科學成果,但它們是科學成果的前提條件。

在這方面,最近的一個重大成果,是中國科學院高能物理研究所主導的國際合作項目“拉索”(LHAASO,它是“高海拔宇宙線觀測站”Large High Altitude Air Shower Observatory的首字母縮寫詞)。2021年5月17日,高能所召開發佈會,宣佈拉索發現了銀河系中12個超高能光子源,這裡超高能的意思是達到114電子伏特,電子伏特是一個能量單位。以前的宇宙線探測裝置主要隻能探測到112電子伏特的光子,拉索一下子把它提升了兩個量級。

拉索發佈會

拉索在超高能段的性能不但超過以前的所有探測器,而且超過其他國家在構想中的所有探測器。因此,國際專家預測,在未來至少十年的時間裡,拉索將主導伽馬射線天文學。

拉索采用四種探測器復合測量宇宙線信息

有這樣的探測能力打底,當然就可望它源源不斷地產出重要的科學成果。因此,高能所宣稱,拉索開啟了“超高能伽馬天文學”的時代。大家可以體會一下這話的分量,開啟某個時代這種句式是很少見的。

拉索打開超高能伽馬天文新窗口

2021年6月,我和拉索項目的兩位重要成員、中國科學技術大學天文學系特任教授楊睿智博士和中國科學院高能物理研究所研究員陳松戰博士做了一場直播,介紹了拉索的成果(美國宇宙線探測器還在設想,就已經落後中國二十年!| 科技袁人)。他們提到,許多外國學者對拉索十分感興趣,希望參與國際合作,或者到中國來留學、來工作。

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

江門中微子實驗探測器示意圖,探測器主體為一個直徑 30 米的有機玻璃球。圖片來源:中科院高能所

最後一類科技新聞,是“擴展人類知識邊界型”。這其實才是我們做科研的本意,是把科研跟其他各種人類活動區分開的關鍵。玩過《文明》的朋友們都知道一個笑話“奇觀誤國”,但科學家造驚人的實驗儀器並不是為了這個奇觀本身,而是為了實打實的科學成果,所以至少不會誤國!

在這方面,一個典型的例子就是我講過最多的領域,量子信息。量子信息是量子力學這個基礎物理學理論跟信息科學交叉產生的新興學科,是整個科學界發展最蓬勃的領域之一。量子信息包括量子通信、量子計算和量子精密測量,目標都是利用量子力學的特性,實現超過傳統信息技術的效果。

量子信息的三個分支

中國在量子信息領域有很多引領世界的成果,例如量子通信方面的“墨子號”衛星與“京滬幹線”,以及量子計算方面的“九章”光量子計算機。實際上,量子信息是極少數的中國在整體上處於領跑地位的大的科學領域之一(與有榮焉——我和祖國的高光時刻:袁嵐峰與墨子號量子衛星 | 科技袁人)。

天地一體化量子通信網絡示意圖

九章光量子幹涉實物圖

(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”裡程碑)

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,分別通過低損耗單模光纖與100超導單光子探測器連接。

攝影:馬瀟漢,梁競,鄧宇皓

然而,量子信息的意義遠遠超過在世界上爭奪排名,因為它是真正的戰略性、顛覆性技術,被稱為“第二次量子革命”。比如說,量子計算機取得突破,就有望破解現在所有的基於數學難題的密碼。又比如說,量子保密通信的作用,就是讓密碼牢不可破。

谷歌首席執行官預測,加密技術的終結可能在5年內到來(美國哈德遜研究所發佈《高管的量子密碼指南:後量子時代中的信息安全》| 中國信息協會量子信息分會)

你也許會問:那如果用量子計算機去破解量子密碼,以子之矛攻子之盾,會怎麼樣?回答是:盾勝!量子密碼保密的基礎並不是數學問題,而是物理原理,所以它能抵抗所有的計算機攻擊,包括量子計算機。

量子密鑰分發對抗竊聽

你看,要理解這些成果的意義,就需要對量子信息的科學原理有深入了解。僅僅喊一個“超越了其他國家”,就遠遠不夠了,而且抓錯了重點。

以上談的這四類,其實隻是一個粗略的分類,表示四種常見的動機。而一個真實的研究中,往往會同時包括這四類。

例如中國的嫦娥五號,自1976年蘇聯的“月球24號”以來第一次從月球取回了樣品,這是國家排名的視角。月球探測歸根結底是為了飛出地球搖籃,走向星辰大海,這是終極目標的視角。嫦娥五號是人類迄今為止向地球之外發射的最重的探測器,達到8.2噸,這是基礎設施的視角。取回月球樣品之後,就可以開展科學研究,對月球起源、太陽系演化等重大問題得到很多新的知識,這才是科學家對這個項目最大的興趣所在,這是科學成果的視角(美國50年前就能載人登月,中國為什麼現在還不行?| 科技袁人)。如果你能同時從所有這些角度理解一個研究,你才算是獲得了深入的認識。

嫦娥五號月球取樣返回流程

最後,祝青年朋友們更加熱愛科學,關註科學,投身科學,為科學事業做出更大的貢獻!