2021年8月1日，首屆“青年科學(xué)家502論壇”發(fā)布“十大科學(xué)技術(shù)問(wèn)題”。 “十大科學(xué)技術(shù)問(wèn)題”由“科學(xué)探索獎”的100位獲獎人提出，并投票產(chǎn)生，體現中國最杰出青年科學(xué)家們最前沿的科學(xué)探索和他們對未來(lái)科學(xué)技術(shù)趨勢的判斷。 

十大科學(xué)技術(shù)問(wèn)題 

一.人類(lèi)的意識，以及學(xué)習和記憶的生物基礎從何而來(lái)？ 

解讀人：李毓龍（北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院教授，2019年“科學(xué)探索獎”生命科學(xué)領(lǐng)域獲獎人）

第二次工業(yè)革命之前，研究意識為何物一直是哲學(xué)家的“特權”；近一百年來(lái)，技術(shù)革命推動(dòng)生命科學(xué)的蓬勃發(fā)展，生物學(xué)家也開(kāi)始參與到這個(gè)問(wèn)題的解答當中。目前研究表明，意識的產(chǎn)生以及學(xué)習記憶能力的發(fā)展主要依賴(lài)于我們的大腦。人類(lèi)大腦中有數百億的神經(jīng)元，神經(jīng)元之間會(huì )形成復雜的網(wǎng)絡(luò )連接：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )以電信號形式編碼客觀(guān)世界——形成意識；反過(guò)來(lái)客觀(guān)世界又能夠重塑網(wǎng)絡(luò )的連接方式——發(fā)生學(xué)習和記憶?；陔妼W(xué)、光學(xué)或化學(xué)等單一學(xué)科的技術(shù)路徑已經(jīng)不足以解析大腦這一復雜系統的結構和功能。想要進(jìn)一步理解大腦的工作原理，人類(lèi)需要在技能樹(shù)上點(diǎn)亮一系列學(xué)科深度交叉的新技術(shù)：包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )空間結構解析技術(shù)、大規模神經(jīng)活動(dòng)記錄和分析技術(shù)，以及精準的神經(jīng)操控技術(shù)。第四次工業(yè)革命產(chǎn)生的新技術(shù)將推動(dòng)人類(lèi)對腦科學(xué)的認知更上一步臺階，自然科學(xué)與哲學(xué)將更快在“山頂”相會(huì )。 

二.人腦和機器是否能實(shí)現直接通訊？ 

解讀人：楊玉超（北京大學(xué)人工智能研究院研究員、2019年“科學(xué)探索獎”信息電子領(lǐng)域獲獎人） 

根據世界衛生組織報告，截止目前全球殘疾人數量已超過(guò)10億，僅中國就有超過(guò)8500萬(wàn)，這樣一個(gè)龐大群體的生存質(zhì)量亟待改善。對于具有肢體殘疾和感知障礙的人群來(lái)說(shuō)，實(shí)現人腦和機器的直接通訊可以部分甚至完全恢復其運動(dòng)和感知功能，極大地便利其生活，是一個(gè)關(guān)系億萬(wàn)人福祉、具有重要現實(shí)意義的問(wèn)題。腦機接口技術(shù)是實(shí)現人腦和機器直接通信的橋梁，通過(guò)腦機接口可以直接提取神經(jīng)信號，完成對人的行為意向的分析，并借助光、電、磁、聲等調控技術(shù)反向干預人腦行為，主要依靠包括高通量多位點(diǎn)腦信息獲取、在線(xiàn)神經(jīng)信號解碼、腦機融合智能設備、腦干預技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)來(lái)實(shí)現。當前腦機接口技術(shù)已經(jīng)實(shí)現高速意念打字、人腦控制機械手快速抓取等任務(wù)，但離人腦和機器直接通訊還有相當大的距離。精準、小型化、高度集成化、生物兼容性強的腦機接口是未來(lái)的發(fā)展方向，以實(shí)現腦機深度融合，達到高精度的行為意向抽取及神經(jīng)行為干預，并進(jìn)一步與類(lèi)腦計算、人工智能等技術(shù)結合實(shí)現腦機混合智能。

三.通用人工智能是否能實(shí)現？ 

解讀人：山世光（中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所研究員、2019年“科學(xué)探索獎”信息電子領(lǐng)域獲獎人） 

人類(lèi)一直以萬(wàn)物之靈自居，但計算機誕生后，人類(lèi)的基礎計算能力和機械記憶能力卻被機器碾壓式超越。65年前，人工智能（AI）作為一門(mén)學(xué)科誕生，其先驅們曾經(jīng)樂(lè )觀(guān)地相信不用20年即可實(shí)現人類(lèi)水平的智能，現實(shí)卻是殘酷的，AI科學(xué)家們越來(lái)越清晰地認識到實(shí)現通用人工智能（AGI）是一項巨大的科學(xué)挑戰，人工智能研究的兩次“寒冬”讓更多的研究者徹底失去了實(shí)現AGI的信心。但最近十年來(lái)，深度學(xué)習的復興，特別是最近BERT/GPT-3等具備超強語(yǔ)言能力的預訓練大模型的誕生，再次燃起了AI專(zhuān)家心中的理想火焰。實(shí)現AGI的核心是賦予算法機器類(lèi)人的、求解新問(wèn)題的能力，其挑戰在于：機器如何更高效的獲取經(jīng)驗數據并從中學(xué)習，實(shí)現“舉一反三”、小樣本歸納并演繹、“吃一塹長(cháng)一智”乃至“無(wú)師自通”等能力？機器如何高效獲取、緊湊表示和充分利用人類(lèi)知識（特別是常識）？如何實(shí)現機器學(xué)習所得“機器知識”與“人類(lèi)知識”的融會(huì )貫通和相互轉換？求解之路仍然迷霧重重，甚至連初見(jiàn)端倪的預訓練大模型是否是正確的起點(diǎn)亦不得而知，AI科學(xué)家們只能在迷霧中上下求索。 

四.如何延緩衰老，促進(jìn)機體修復，提高人類(lèi)壽命？ 

解讀人：劉穎（北京大學(xué)未來(lái)技術(shù)學(xué)院教授 、2019年“科學(xué)探索獎”生命科學(xué)領(lǐng)域獲獎人） 

隨著(zhù)人口老齡化的加劇，衰老及相關(guān)疾病正在帶來(lái)巨大的社會(huì )和經(jīng)濟負擔，大力推進(jìn)衰老領(lǐng)域的研究刻不容緩。1939年，研究人員發(fā)現限制熱量攝入可延長(cháng)大鼠的壽命，首次證明衰老可以被人為干預。1988年，利用秀麗隱桿線(xiàn)蟲(chóng)進(jìn)行的遺傳學(xué)研究實(shí)現了另一突破。研究人員發(fā)現一個(gè)名為age-1的基因的突變可以將線(xiàn)蟲(chóng)的壽命增加40-60%，證明了對單一基因的干預就能影響和決定生物體的壽命，這些讓人們確信能找到?jīng)Q定衰老速度和壽命長(cháng)短的“法寶”。隨后，秀麗隱桿線(xiàn)蟲(chóng)和釀酒酵母的遺傳學(xué)研究揭示了更多影響壽命的關(guān)鍵基因，囊括了當今衰老領(lǐng)域內的“明星通路”：胰島素樣信號途徑，雷帕霉素受體蛋白，Sirtuin和NAD+，線(xiàn)粒體與氧化應激，端粒功能和蛋白質(zhì)穩態(tài)等，當今大多數正在進(jìn)行臨床實(shí)驗的衰老相關(guān)藥物也與這些關(guān)鍵基因相關(guān)。未來(lái)我們需要更多的工作來(lái)整合多條衰老相關(guān)遺傳通路，以加深對衰老生物學(xué)基礎的理解。除此之外，在尊重生物倫理的基礎上，要推進(jìn)直接靶向衰老通路的臨床試驗。這些方向的研究有望使我們延緩甚至逆轉衰老。 

五.如何實(shí)現量子計算實(shí)用化？ 

解讀人：陸朝陽(yáng)（中國科技大學(xué)量子物理與量子信息研究部教授、2019年“科學(xué)探索獎”前沿交叉領(lǐng)域獲獎人） 

在數據暴增的時(shí)代，如何滿(mǎn)足人類(lèi)對算力貪得無(wú)厭的需求？通過(guò)對單原子、單光子等微觀(guān)粒子進(jìn)行精確的人工操縱，量子力學(xué)原理提供了一種全新的方式對信息進(jìn)行編碼、存儲、傳輸和調制，在增大信息傳輸容量、提高運算速度和確保信息安全等方面能夠突破經(jīng)典信息技術(shù)的瓶頸。量子計算是目前人類(lèi)唯一被嚴格證明具有解決經(jīng)典計算機無(wú)法求解的問(wèn)題的潛力的新方法。然而，真正的應用還有諸多挑戰，其中之一就是如何把真實(shí)重大應用映射到量子計算系統中。量子模擬和計算的能力隨可操縱的量子比特數呈指數增長(cháng)，因此如何有效擴展量子比特的規模和高保真的邏輯操作是核心任務(wù)。由于量子比特不可避免地會(huì )受到環(huán)境噪聲的影響而出錯，要最終實(shí)現可編程的通用量子計算機，通過(guò)量子糾錯來(lái)保證整個(gè)系統的正確運行是必然要求，也是較長(cháng)時(shí)期內面臨的主要挑戰。在量子比特系統的邏輯操縱精度到達可容錯量子計算的要求之前，作為階段性應用，可以構建針對特定問(wèn)題的專(zhuān)用量子模擬機，則有望揭示凝聚態(tài)物理中若干復雜體系的機制。此外，量子模擬和計算面臨的一個(gè)重大理論問(wèn)題是，由于量子計算和模擬解決的是經(jīng)典計算機無(wú)法解決的計算難題，如何驗證計算或模擬結果的正確性？ 

六.清潔能源、環(huán)境保護、氣候變化的協(xié)同機制如何建立？

解讀人：王書(shū)肖（清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院教授、2019年“科學(xué)探索獎”能源環(huán)保領(lǐng)域獲獎人）當前世界面臨能源資源匱乏、全球氣候變化、生態(tài)環(huán)境惡化等一系列重大挑戰，原因之一就是人類(lèi)對化石能源的大量消耗和嚴重依賴(lài)。目前全球化石能源占一次能源消費比重超過(guò)80%?；茉慈紵a(chǎn)生的二氧化碳占溫室氣體總排放的70%以上，是造成全球氣候變化的主要原因；同時(shí)，化石能源生產(chǎn)和使用過(guò)程產(chǎn)生大量的二氧化硫、二氧化氮、一氧化碳、揮發(fā)性有機物、顆粒物等大氣污染物，導致大氣環(huán)境惡化，每年造成全球數百萬(wàn)例早逝。探索能源環(huán)境氣候協(xié)同治理機制，提出氣候友好的清潔能源和環(huán)境保護協(xié)同路徑，對于實(shí)現全球可持續發(fā)展目標具有重要意義。構建能源、環(huán)境和氣候變化三者協(xié)同的機制，需要圍繞清潔能源技術(shù)、節能提效減污降碳技術(shù)、能源環(huán)境系統集成耦合與優(yōu)化技術(shù)、氣候治理與環(huán)境污染協(xié)同應對路徑、零碳/負碳能源技術(shù)及系統的綜合評價(jià)、促進(jìn)能源轉型的碳市場(chǎng)機制等開(kāi)展研究。其中，可再生能源發(fā)電、儲能技術(shù)、多污染物協(xié)同減排技術(shù)、能源環(huán)境綜合評估模型、碳市場(chǎng)機制等最有可能取得突破。 

七. 暗能量和暗物質(zhì)的本質(zhì)是什么？ 

解讀人：施勇（南京大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院教授、2019年“科學(xué)探索獎”天文和地學(xué)領(lǐng)域獲獎人） 

量子力學(xué)和廣義相對論是20世紀物理學(xué)兩大輝煌的成就，奠定了現代科技的基礎。暗能量和暗物質(zhì)的出現卻直接證明了當前的粒子理論和引力理論是不正確的或者不全面的，我們賴(lài)以發(fā)展科技的“基礎”，還存在被優(yōu)化的空間。暗能量是指未知的“斥力”來(lái)加速宇宙的膨脹，暗物質(zhì)是指未知的物質(zhì)來(lái)產(chǎn)生額外的引力，按照目前的觀(guān)測推算，這兩者分別約占宇宙總能量的70%和25%，而由質(zhì)子、中子和電子組成的正常物質(zhì)只占5%。未來(lái)，地面和空間的各類(lèi)大型科學(xué)基礎設施將通過(guò)多種手段來(lái)探索暗能量和暗物質(zhì)。暗能量方面，將探究其能量密度是否隨時(shí)間變化，以及是否隨宇宙空間變化等現象；暗物質(zhì)方面，將通過(guò)其湮滅或衰變現象、與正常物質(zhì)的碰撞現象、以及其在宇宙空間的密度分布等方法來(lái)探索其本質(zhì)。多種探測手段的結合和互補是我們真正理解暗物質(zhì)和暗能量的關(guān)鍵。 

八.人類(lèi)如何在地外行星（如火星）上居住一年以上？ 

解讀人：魏勇（中國科學(xué)院地球與行星物理重點(diǎn)實(shí)驗室主任、2020年“科學(xué)探索獎”天文和地學(xué)領(lǐng)域獲獎人） 

走出地球是人類(lèi)永恒的夢(mèng)想，深空探測是科技競爭的制高點(diǎn)。美國和中國掌握了火星軟著(zhù)陸技術(shù)，承載著(zhù)人類(lèi)登陸火星的夢(mèng)想，將賦予人類(lèi)進(jìn)化和人與自然關(guān)系新內涵。人類(lèi)火星往返包括一年的太空旅行和一年半的火星生活?；鹦峭堤岢鋈筇魬穑旱鼗鹜导夹g(shù)、生命保障系統、生理心理干預。太空旅行擁有載人登月的寶貴經(jīng)驗做基礎，火星生活則是一個(gè)從零開(kāi)始的全新工程。實(shí)現宇航員在火星居住一年以上，是對人類(lèi)航天、能源、通信、電子、醫學(xué)、生物科技等各方面科技水平的全面檢驗，由此產(chǎn)生的新的理論突破和發(fā)明創(chuàng )造將顯著(zhù)改變人們的生活方式，甚至引發(fā)新一輪歷史性的科技革命。該項目的規模和復雜程度為人類(lèi)歷史之最，對管理學(xué)等社會(huì )科學(xué)的發(fā)展同樣會(huì )產(chǎn)生深遠影響。國際合作是實(shí)現這一目標的最優(yōu)方式，世界科技合作與競爭也有可能?chē)@這一問(wèn)題，產(chǎn)生新局面和新態(tài)勢。 

九. 如何“求教”大自然，開(kāi)發(fā)高度集成、智能、可修復的仿生系統?

解讀人：王鉆開(kāi)（香港城市大學(xué)機械工程系講座教授，工學(xué)院副院長(cháng)、2020年“科學(xué)探索獎”先進(jìn)制造領(lǐng)域獲獎人） 

科技迅猛發(fā)展使得人類(lèi)入太空潛深海，似乎“無(wú)所不能”。但一個(gè)最基本的科學(xué)事實(shí)卻是，即便神舟十二號上精巧的“天和”機械臂，其系統的集成度、智能化、以及自我修復功能也遠遠低于生物系統。在集成度方面，生物體系可以利用簡(jiǎn)單有限的生物材料，高效制備和自組裝形成復雜的生物個(gè)體，科學(xué)家雖然能制造復雜的化學(xué)和物理單元，然而讓這些單元自發(fā)裝配成為復雜高度集成的個(gè)體結構，仍是夢(mèng)想；在智能化方面，生物體系可以融合個(gè)體感知、思考和控制反饋，衍生出群體溝通、競爭和合作，相比而言，仿生智能軟硬件卻只能實(shí)現其中的“冰山一角”；在修復方面，小到壁虎斷尾再生，大到生態(tài)系統的有機統一、低能耗和動(dòng)態(tài)平衡，生物體系擁有非凡的修復本領(lǐng)，仿生系統的可修復探索還僅僅停留在分子層面的自愈合。仿生系統的構建，涉及到方方面面：從材料、制造到組裝，從單元、個(gè)體到集群。從理解自然界材料合成、組裝及演變的共性機理，為仿生體系研發(fā)提供理論支撐；到構建仿生智能表界面，有效調控仿生系統與外界環(huán)境的交互；再到開(kāi)發(fā)規?；G色制造技術(shù)，構建跨尺度、多功能協(xié)同的仿生系統；乃至發(fā)展高度集成的智能類(lèi)生命體，人類(lèi)將一步步向大自然“求教取經(jīng)”。

十.太陽(yáng)能發(fā)電的規?；咝萌绾瓮黄?？

解讀人：周歡萍（北京大學(xué)材料科學(xué)與工程系特聘研究員、2019年“科學(xué)探索獎”能源環(huán)保領(lǐng)域獲獎人） 

地球上一切能源來(lái)自于太陽(yáng)能，地球每年消耗的全部能量，僅相當于太陽(yáng)“給予”地球能量的一萬(wàn)分之一，太陽(yáng)能利用還大有可為。有效利用太陽(yáng)能既能逐步滿(mǎn)足人類(lèi)的能源需求，作為最重要的清潔能源之一，太陽(yáng)能的高效利用也有助于減少環(huán)境污染和應對氣候變化。光伏技術(shù)是實(shí)現太陽(yáng)能直接向電能轉化的最有效途徑，是解決人類(lèi)能源危機、環(huán)境污染的重要手段。如何通過(guò)技術(shù)手段使太陽(yáng)能發(fā)電規?；咝Ю?，也就因此成為重大科學(xué)問(wèn)題。針對太陽(yáng)能發(fā)電的規?；咝?，目前科學(xué)家主要圍繞材料體系、制備工藝，器件結構及工作原理展開(kāi)工作。從目前的研究來(lái)看，在光-電轉換基本過(guò)程與新原理；高效、穩定光電轉換材料的理性設計；低成本、高通量的可控制備方法；光電材料與器件中的結構和表界面設計與調控等方向上，最有可能獲得突破。

 來(lái)源：科學(xué)探索獎