中国科学院科学的发展（摘要）

中国科学院科学的发展（摘要）

白春礼

某些重要方向及未来设想

1、暗物质和暗能量也许是21世纪最大的科学之谜

暗物质和暗能量的研究，完全是基础性、长远性、探索性的。中科院紫金山天文台通过与美国合作，发现宇宙线电子谱有一个“超出”，被认为可能来自暗物质，受到广泛关注。中科院国家天文台，刚建成的大天区面积多目标光纤光谱望远镜，是世界上最大的光谱望远镜，将揭示不同宇宙红移处的星系分布，从而可为追溯宇宙的膨胀历史、探测暗能量的性质提供一定的技术基础。根据现有观测数据计算，宇宙总能量中的73%是暗能量。而暗物质存在于人类已知的物质之外，它的构成，也和已知物质完全不同。暗物质和暗能量的研究有可能革命性地改变我们现有的世界观。

2.从暗物质和暗能量到解决已知物质新能源

已知物质能源，如地球接受的太阳辐射，约为120000兆兆瓦，若按陆地面积（占地球面积29.2%）的1%，转换效率10%计算，可提供35兆兆瓦的能源。目前太阳能电池，现状是单波长的转换效率可达80%以上，但太阳光谱是连续谱，宽带隙的电池不能利用长波部分，窄带隙的电池不能充分利用短波部分，另辟途径才有可能获得突破。

如果不从已知的物质之外，仅从已知物质解决能源渠道，其最具备极大优势之一的是新型核裂变电能。因为核能分为核裂变能与核聚变能，若核聚变原理应用于发电，则辐射极小，且核聚变燃料取之不竭。但发展核能必须面对两大关键问题──核燃料的稳定供应和核废料的安全处置。

针对上述问题，中科院拟分别加强，钍资源的核能利用基础研究和加速器驱动次临界系统嬗变核废料的研究。其次，中科院建造的实验型先进超导托卡马克，是世界上首个建成并运行的全超导、非圆截面、磁约束核聚变实验装置，其实验正朝着探索长脉冲、高参数等离子体物理这一未来聚变堆发展的重要研究方向迈进。第三，中国参与欧盟、美国、日本、韩国、印度和俄罗斯等七方共同的国际热核聚变实验反应堆，被人们形象地称为“人造太阳”。

3、从暗物质、暗能量、新能源到量子通信

如果未知尺度的重要基本科学问题是暗物质、暗能量，那么经典保密方式，理论上已被证明是可以破解的。因而在60周年国庆之际，在天安门城楼、中南海、国庆阅兵指挥部等地点之间，通过该突破，构建了绝对安全的实时语音加密量子通信热线。在这方面，如果分为量子尺度、纳米尺度、宏观尺度、未知尺度。从暗物质、暗能量、新能源到量子通信的基本科学问题，是非定域性量子纠缠态。中国科技大学是国际上该领域最活跃的研究单位之一，其成果2次荣获美国物理学会评选的国际物理学十大进展，3次荣获欧洲物理学会评选的国际物理学年度重大进展，5次荣获我国两院院士评选的中国十大科技进展。英国《新科学家》杂志形象地说：“过去合肥最著名的是豆腐和麻饼；现在他们正在改变这一切，他们已将中国科技大学，甚至整个中国，坚定不移地推进到量子计算界的图谱中。”

物质科学的历史启示

物质科学研究是科学发展的制高点，物质科学的研究不断催生新的理论，而且也催生新方法、新技术、新手段的发明和运用。物质世界的层次对应于基础学科的分类，主要有天文学、空间科学、地球科学、生命科学，乃至材料科学、物理、化学、纳米科技、高能物理、粒子物理等。这些尺度从大到小，所对应的科学前沿分别为宇宙的起源与演化、生命的本质、物质的本质与基本结构等。数学是上述基础学科和科学前沿的共同基础。世界是物质的，物质是运动的，运动是有规律的，规律是可以认识的；物质科学研究，也为辩证唯物主义的思维方式，提供科学实证的载体。

李政道先生曾指出：“20世纪初，科学界最大的谜是太阳。”20世纪中叶前，人类所有能源都来自太阳。太阳的能量是经光传播到地球，所以光和热的研究是20世纪初物理界的两大重点。爱因斯坦由于光电效应而于1921年获得了诺贝尔物理奖。2009年，诺贝尔基金会评出了百余年诺贝尔奖史上“最受尊崇的”三位获奖者，其中之一是爱因斯坦。光电效应研究催生了相对论和量子论，引发了一个世纪的创新革命，产生了原子结构、分子物理、核能、激光、半导体、超导体、超级计算机等等。几乎20世纪绝大部分的科技文明均源自于此。

物质科学探索奠定诸多大科学工程

1988年10月24日，邓小平同志视察中国科学院高能所北京正负电子对撞机时指出：“过去也好，今天也好，将来也好，中国必须发展自己的高科技，在世界高科技领域占有一席之地。”中美高能会谈，20多年来不仅是中美科技合作的重要渠道，也是特定历史条件下外交沟通的重要渠道。互联网技术最早由高能所引入中国，高能物理研究也是我国互联网发展的源初推力。1991年5月30日，中美科学家为高能所设计了国际计算机联网的手绘路线图。

物质科学探索，如所谓同步辐射，是1947年科学家研究发现的高速荷电粒子，在速度改变时放出的电磁辐射。到了20世纪70年代，同步辐射作为一种特殊光源，开始得到应用发展为同步辐射大科学工程，为当代科学几乎所有的前沿科学研究和应用研究，提供了一个先进的、不可替代的实验平台。依托同步辐射进行的研究产生过5项诺贝尔奖。同步辐射的建设不但推动了高能物理及相关领域的基础研究，还有力带动了相关高技术产业的发展，促进了计算机、探测技术、医用加速器、辐照加速器和工业CT等产业的技术进步，产生了巨大的经济和社会效益。