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[转载]国际科技进展评述:积蓄突破极限的变革力量

已有 289 次阅读 2019-5-6 14:50 |个人分类:海洋科技|系统分类:观点评述|文章来源:转载

国际科技进展评述:积蓄突破极限的变革力量

创新研究 2019-01-25 来源:三思派公众号


2018年科学技术在多个领域和方向上继续保持着快速进展的势头,这让人们益发坚信,世界正处于新科技革命与产业变革的进程之中。 


从2008到2018:对增长极限的忧虑与探求



金融危机的实质,是科技创新的危机。工业革命以来,人类社会已形成了“科技突破—产业变革—金融扩展—经济增长”的迭代发展模式。以摩尔定律放缓为代表,科技重大进展低于预期,进而引起对“增长极限”的忧虑。


 一是材料制造的极限。

新兴产业亟需开发各种超材料、新材料,极端应用(如自动驾驶对安全的极限要求等)、极端环境(如极寒、极热、极压等)、极端工艺(如制造精细程度不断突破极限)带来全面挑战。


 二是能源动力的极限。

高质量发展亟需绿色廉价能源,全球化有赖于更快捷、更智能和更高效的新型交通。这为实现更低甚至接近零的能源边际生产和输配成本,超高速、空地一体化交通技术等提出了紧迫的现实需求。


 三是认知智能的极限。

物质能量开发及产业、技术进步都有赖于认知范围的扩展。对“三生”(生命、生物、生态)、“四深”(深空、深海、深地、物质深层)等认知探索亟待加快加深,万物互联、泛在智能亟需尽快实现。


 四是生态承载的极限。

生态压力继续增加,全球碳排放总量比上年增加2.7%,再创新高。在首次估算出地球上所有生物5500亿吨的碳总量中,占比不到1%的人类,数量再创新高,人口资源环境协调可持续发展的瓶颈亟待突破。


面对极限的挑战,主要国家和地区都持续加强科研投入,积极拼抢最前沿的高科技、新科技和黑科技,揭开了堪称史上最大范围和规模的科技创新与政治博弈宏大进程。 



坐标2018:正在改变规则的八大方面科技进展


一是深空探测取得近几十年来的多个“第一”。冷战后发射次数首次超过100次,首张最精确的、包含17亿颗恒星的银河系三维地图(“盖亚”卫星),打破了40多年尘封的飞行器最快速度记录(太阳探测器“帕克”),首次在火星发现(高盐度)液态水(“火星快车”),“近距离”看到太阳系边缘小行星(“新视野号”观测小行星“天涯海角”),几十年后人类再次发射重型火箭(重型“猎鹰”),探测到宇宙大爆炸1.8亿年后第一批恒星发出的无线电信号。此外,“洞察号”成功着陆火星并开始工作,成为第三个在役探测器。人类第三次向水星发射探测器。两个探测器分别抵达“不死鸟”和“龙宫”两颗小行星,并在未来返回地球,为太空采矿奠定基础。


二是物质深层认识的重要“首次”。首次实现反氢内基准能量跃迁,对认知和操控反物质迈近一步,对于未来能源等发展有极为重要价值。首次测出质子内部的压强,是地球大气压力的100万亿亿亿倍(10^30倍),是中子星核心压力的10倍。首次精确定位来自太空、到达地球的“幽灵粒子”起源,对物质世界有了更深理解。


三是生命科学深度破解生命“天书”。胚胎首次细胞分裂研究获“改变教科书”发现,父系和母系染色体分头控制双方染色体的分离。首次绘出史上最完整的大脑图谱(黑腹果蝇高清晰度三维脑图)。使用源于四川的“中国春”小麦品种,绘制出小麦基因组图谱;小麦基因组多而复杂,约为水稻的40倍。在蓝藻中发现新型光合作用机制,为寻找外星生命和改良作物带来新思路。利用DNA测试技术,首次发现5万多年前丹尼索瓦人(父亲)与尼安德特人(母亲)的混血儿,对人类演化有了新认识。


四是生物技术持续增强促进健康的能力。利用基因编辑技术首次让皮肤细胞变身干细胞,为治疗多种疾病提供新方法。首次利用激活的视网膜干细胞,恢复小鼠视力,将为视网膜退行性疾病提供治愈方法。在没有使用精子或卵子的情况下,利用干细胞开发出了一种胚胎样的结构,向制造人工胚胎又迈近一步。癌症患者在免疫细胞治疗5年后,依然保持无癌状态,创造新记录。


五是超强算力的研究及应用孕育重大突破。美国以“Summit”重夺世界超算第一,性能超“神威·太湖之光”约60%,各国开始积极发展“E级超算”。“量子开关”验证出不确定的因果顺序,可能对处理量子信息有用。利用三个光子创造出一种全新的光物质形式,有可能应用于超快量子计算。谷歌公布世界首款72量子比特芯片,英特尔公司推出49量子位超导测试芯片。量子计算可能正进入追逐“量子霸权”的“十年竞赛”。


六是智能应用牵引新一代信息技术快速发展。集成电路制程开始挺进7nm,“超越摩尔”也在探索。谷歌发布人工智能芯片TPU3.0,英伟达发布新一代GPU架构。5G初现踪影,相关标准被推迟,反映出5G标准之争和商用之路的复杂性。物联网、云计算、边缘计算、雾计算等应用拓展,云端和用户端的速度及可靠性不断提升。对抗的神经网络正促进人工智能更独立,但也可能会变成数字造假工具。微软的机器翻译系统首次在通用新闻的汉译英上达到了人类专业水平,实现了里程碑式突破。人工智能被用于诊断读片、癌症演变、药物筛选等。生活中无人化场景越来越多,物流、服务、协作机器人等都得到快速发展,波士顿动力公司的人形机器人可以轻松进行“三连跳”。网络安全形势严峻,“僵尸攻击”“数据泄露(Data breaches)”“数据暴露(data exposure)”“云泄露(Cloud leaks)”都呈现增长态势。


七是物质与材料进展丰富人们认知和调控物理世界的手段。因由定义“千克”的标准物在100年间还是失去了50微克,千克将由普朗克常数重新定义。当两层石墨烯以1.1度的“魔角”扭曲在一起时,通过适当调整,可以在绝缘态和超导态之间切换。在-23℃温度下实现了氢化镧的超导性,创造高温超导新记录。首次在准晶结构合金中发现超导性……这些对超导和量子信息技术都可能产生重要影响。弯曲空间内首次实现激光束加速,将对模拟广义相对论以及用于控制微通道、弯曲环境中的纳米颗粒提供帮助。在原子层面“无缝缝制”两种晶体,将为制造柔性LED、超薄二维电路等带来新思路。低成本快速金属3D打印商用加速,将为制造业带来变革。


八是能源动力加速酝酿革命性变化。史上首架离子引擎飞机成功试飞,飞机将可能被“重新发明”。“加氢3分钟,续航600公里”,有人认为2018年可被称为氢燃料电池汽车“元年”。尽管目前还无法达到L5级(完全自动驾驶),基础设施也尚未智能化,而且还发生了首例死亡的事件,但新锐厂商和传统车企都加快了智能驾驶的研发和部署,道路测试日益火爆,出现了全球首个商业自动驾驶叫车服务。飞行汽车从梦想走进现实,多国政府开始积极支持飞行汽车研发和测试。晶硅、钙钛矿、太阳能组件光电转化效率创记录,风光电持续发展。超级电池组能将电动汽车续航能力提高一倍。“迷你”核裂变反应堆成功通过测试,可为未来深空前哨基地提供动力。能源区块链和智能合约在分布式能源、传统化石能源、碳交易等方面应用加速。 


从2019到2049:前所未有的世界科技“超级”革命


一系列研究表明,目前正处于工业革命以来第五次长波下行和第六次长波兴起的交汇期。世界范围内正展开一场空前的科技竞赛,人类智慧将会被发挥到极致,进而促进科技实现重大突破,新的科学观念和思想将带来新的生活方式和社会文化风尚,新的技术发明和应用将创造出新产业和新就业。未来30年,很可能发生三次接续的重大科技与产业变革,人类社会将在连续不断的科技飞跃中得到高度发展,其影响将媲美农业革命和工业革命。


1

一是智能与认知革命。前五次长波依次解决了人类赖以生存所需的能量(蒸汽革命、电气革命)、物质(化石与合成材料革命)和信息等相关问题,随着人工智能等发展,人的认知能力将极大提升,从而加速科学技术的突破和应用。


2

二是生命与健康革命。基因编辑、免疫治疗、再生医学、核心器官再造、人体增强等使得“人生过百不稀奇”,人的身体能力将极大提升,从而加速新产业和新就业的创生和壮大。


3

三是能源与动力革命。风光电、核聚变、高效能电池、未来交通等实现突破,人类将获得空前充沛的强大能源动力,人类社会运行动能极大提升,从而加速孕育出新文化、新文明。


到2049年,可能是人类史上最宏伟的全球科技竞赛将进入尾声,世界科技超级革命将开创一个全新时代。科技创新将从根本上改变地球生态、人类社会和人体自身的状况,亿万民众的生活水平和生命质量将得到极大提升,人类命运共同体益加巩固。人类将成为一个跨星际物种,从而揭开人类文明、生命进化乃至宇宙演化历程上的新篇章。

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