专家解读青年科学家眼中的十大科技问题

2021-08-31文／项铮

中国科技财富 2021年8期

文／项铮

人类意识的生物基础是什么？人脑和机器能否直接通讯？人能延缓衰老吗？……

2021年青年科学家502论坛日前发布的“十大科学技术问题”，由100位“科学探索奖”获奖者共同选出，内容涵盖人类意识、人机通讯、量子计算实用化、地外行星居住等学术界和社会共同关心的热点领域，代表了中国青年科技工作者的前沿科学洞察。那么，科学家是如何解读这大十科学问题的呢？

问题1 人类的意识、学习和记忆的生物基础从何而来？

北京大学生命科学学院教授李毓龙：目前的科学研究表明，意识的产生、学习记忆能力的发展主要依赖于大脑。大脑中有数百亿神经元，神经元间有复杂的网络连接，神经网络以电信号形式编码客观世界——形成意识；反过来客观世界又能重塑网络的连接方式——发生学习和记忆。

由于大脑超级复杂，电学、光学或化学等单一学科不足以解析大脑的结构和功能，想要进一步理解大脑的工作原理，人类需要研究一系列学科深度交叉的新技术，比如神经网络空间结构解析技术、大规模神经活动记录和分析技术、精准的神经操控技术。

问题2 人脑和机器是否能实现直接通信？

北京大学人工智能研究院研究员杨玉超：脑机接口技术是人脑和机器直接通信的桥梁，该技术可直接提取神经信号，分析完成人的行为意向，通过高通量多位点脑信息获取、在线神经信号解码、脑机融合智能设备、脑干预技术等关键技术干预人脑行为。

目前，脑机接口技术已经实现高速意念打字、机械手快速抓取等，但精准度有待提升。未来脑机接口的发展方向将是精准、小型化、高度集成化、生物兼容性强。通过此项研究，将与类脑计算、人工智能等技术结合实现脑机混合智能。

问题3 通用人工智能是否能实现？

中国科学院计算技术研究所研究员山世光：自计算机诞生后，人类的基础计算能力和机械记忆能力却被机器碾压式超越。最近十年来，深度学习的复兴，特别是最近BERT/GPT-3等具备超强语言能力的预训练大模型的诞生，再次燃起了AI专家心中的理想火焰。赋予算法机器类人的、求解新问题的能力，其挑战在于：机器如何更高效地获取经验数据并从中学习，实现“举一反三”、小样本归纳并演绎、“吃一堑长一智”乃至“无师自通”等能力？求解之路仍然迷雾重重，甚至连初见端倪的预训练大模型是否是正确的起点亦不得而知，AI科学家们只能在迷雾中上下求索。

问题4 如何延缓衰老，促进机体修复，提高人类寿命？

北京大学未来技术学院教授刘颖：1939年，科学家们发现，限制热量摄入可延长大鼠的寿命，首次证明衰老可以被人为干预。1988年，研究人员发现某一个基因突变可以增加线虫的寿命，证明了对单一基因的干预能影响和决定生物体的寿命，这些让科学家增加了找到决定衰老速度和寿命长短的“法宝”。随后，科学家们又有了新的发现，根据这些发现，一些科学家已经在研发抗衰老药物。

未来，科学家将整合多条衰老相关遗传通路，加深对衰老生物学的理解。在尊重生物伦理的基础上，推进直接靶向衰老通路的临床试验。因为这些方向的研究有望延缓甚至逆转衰老。

问题5 如何实现量子计算实用化？

中国科技大学量子物理与量子信息研究部教授陆朝阳：量子计算是目前人类唯一被严格证明具有解决经典计算机无法求解问题的潜力新方法。然而，真正的应用还有诸多挑战，其中之一就是如何把真实重大应用映射到量子计算系统中。量子模拟和计算的能力随可操纵的量子比特数呈指数增长，因此如何有效扩展量子比特的规模和高保真的逻辑操作是核心任务。由于量子比特不可避免地会受到环境噪声的影响而出错，要最终实现可编程的通用量子计算机，通过量子纠错来保证整个系统的正确运行是必然要求，也是较长时期内面临的主要挑战。在量子比特系统的逻辑操纵精度到达可容错量子计算的要求之前，作为阶段性应用，可以构建针对特定问题的专用量子模拟机，则有望揭示凝聚态物理中若干复杂体系的机制。

问题6 清洁能源、环境保护、气候变化的协同机制如何建立？

清华大学环境学院教授王书：构建能源、环境和气候变化三者协同的机制，需要围绕清洁能源技术、节能提效减污降碳技术、能源环境系统集成耦合与优化技术、气候治理与环境污染协同应对路径、零碳/负碳能源技术及系统的综合评价、促进能源转型的碳市场机制等开展研究。其中，可再生能源发电、储能技术、多污染物协同减排技术、能源环境综合评估模型、碳市场机制等最有可能取得突破。

问题7 暗能量和暗物质的本质是什么？

南京大学天文与空间科学学院教授施勇：暗能量是指未知的“斥力”来加速宇宙的膨胀，暗物质是指未知的物质来产生额外的引力，按照目前的观测推算，这两者分别约占宇宙总能量的70%和25%，而由质子、中子和电子组成的正常物质只占5%。未来，地面和空间的各类大型科学基础设施将通过多种手段来探索暗能量和暗物质。暗能量方面，将探究其能量密度是否随时间变化，以及是否随宇宙空间变化等现象；暗物质方面，将通过其湮灭或衰变现象、与正常物质的碰撞现象、以及其在宇宙空间的密度分布等方法来探索其本质。多种探测手段的结合和互补是我们真正理解暗物质和暗能量的关键。

问题8 人类如何在地外行星（如火星）上居住一年以上？

中国科学院地球与行星物理重点实验室主任魏勇：实现宇航员在火星居住一年以上，是对人类航天、能源、通信、电子、医学、生物科技等各方面科技水平的全面检验，由此产生的新的理论突破和发明创造，将显著改变人们的生活方式，甚至引发新一轮历史性的科技革命。该项目的规模和复杂程度为人类历史之最，对管理学等社会科学的发展同样会产生深远影响。国际合作是实现这一目标的最优方式，世界科技合作与竞争也有可能围绕这一问题，产生新局面和新态势。

问题9 如何“求教”大自然，开发高度集成、智能、可修复的仿生系统？

香港城市大学机械工程系讲座教授王钻开：仿生系统的构建，涉及到方方面面：从材料、制造到组装，从单元、个体到集群。从理解自然界材料合成、组装及演变的共性机理，为仿生体系研发提供理论支撑；到构建仿生智能表界面，有效调控仿生系统与外界环境的交互；再到开发规模化绿色制造技术，构建跨尺度、多功能协同的仿生系统；乃至发展高度集成的智能类生命体，人类将一步步向大自然“求教取经”。