探明宇宙演化、物質(zhì)結(jié)構(gòu)、生命起源和認知機理是人類永恒的追求，這些基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域的突破往往能從根本上改變我們對時間、空間和物質(zhì)運動規(guī)律的認識，催生變革性技術(shù)，開創(chuàng)物質(zhì)文明的新時代。20世紀(jì)創(chuàng)建的相對論和量子力學(xué)打破了經(jīng)典物理學(xué)絕對的時空觀和粒子運動必須有軌跡的觀念，揭示了時空性質(zhì)與物質(zhì)、運動的聯(lián)系，采用“量子態(tài)”描述物理體系；新理論的建立促進了半導(dǎo)體晶體管、計算機、互聯(lián)網(wǎng)、激光、核能利用等變革性技術(shù)的出現(xiàn)，造就了信息時代的物質(zhì)文明。可見，在科技領(lǐng)域，一些看似相互獨立的問題實際上有著深刻的內(nèi)在聯(lián)系。當(dāng)今時代重大基礎(chǔ)交叉科學(xué)的突破完全有可能催生新的科學(xué)革命，為人類創(chuàng)造現(xiàn)在還難以想象的先進物質(zhì)文明。我們一定要順應(yīng)這一發(fā)展趨勢，把握好這一歷史機遇。
研究宇觀世界的天文宇宙學(xué)和研究微觀世界的粒子物理學(xué)近年來的交叉融合是一個重要的發(fā)展趨勢。基于天文觀測和粒子物理學(xué)成果提出的宇宙大爆炸模型，正在經(jīng)受各種天體和粒子物理精密測量的檢驗，使宇宙學(xué)逐步成為定量科學(xué)。人類已經(jīng)了解的物質(zhì)形態(tài)在宇宙中只占約5%，其他主要是暗物質(zhì)（與光不發(fā)生相互作用）和暗能量（能導(dǎo)致宇宙加速膨脹），它們與普通物質(zhì)不能相互轉(zhuǎn)換，但會決定宇宙的未來。為了揭示暗物質(zhì)和暗能量的本質(zhì)，發(fā)達國家投入大量人力物力，以求盡早取得突破。中國錦屏地下實驗室已在暗物質(zhì)直接探測方面取得了有國際競爭力的成果；在暗能量研究方面，我國也在積極籌建并參與國際合作的大型巡天望遠鏡計劃。
掌握微觀量子世界運動規(guī)律是許多現(xiàn)代技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)，但宏觀測量會破壞量子態(tài)的“相干性”，使它成為“看不見”“摸不著”的“自在之物”。近年來精密實驗技術(shù)的發(fā)展正在逐步改變這種狀況。利用掃描電子隧道顯微鏡可以觀察和移動單個分子、原子，運用飛秒激光技術(shù)可以研究分子內(nèi)部的動力學(xué)過程，可以逐層逐列地將原子、分子構(gòu)筑成晶體，可以產(chǎn)生和探測單個光子。這些過去不可思議的手段已經(jīng)使原子、電子、光量子等變成“看得見”“摸得著”“可調(diào)控”的“為我之物”。從這個意義上說，90年前提出的量子力學(xué)已從觀測、解釋階段進入了嶄新的“調(diào)控時代”。
用量子態(tài)取代信息技術(shù)中的經(jīng)典比特，即將開創(chuàng)“量子信息技術(shù)”的新時代。300個量子比特可存儲的狀態(tài)是2的300次方，相當(dāng)于整個宇宙中的原子數(shù)，這奠定了運用量子計算機進行海量并行運算的基礎(chǔ)。量子信息的相干性、糾纏性、非定域性和不可克隆性等特點，使它較經(jīng)典信息技術(shù)具備巨大的優(yōu)越性，尤其是它無懈可擊的保密性。我國在量子通信方面已走到國際前列。量子材料的設(shè)計、制備和表征是“量子調(diào)控”的另一重要方面。傳統(tǒng)做法是通過多次試驗探索新材料，周期長、效率低；新做法是基于對材料結(jié)構(gòu)和物性的深刻理解，按照需求設(shè)計和制備材料。近年來凝聚態(tài)物理中的熱門材料如“拓撲絕緣體”“拓撲半金屬”等就是先理論計算預(yù)言，利用特定材料體系制備樣品，再用各種精密測量手段表征、驗證。這種理論計算、材料制備與實驗表征緊密結(jié)合的新范式，使我國的相關(guān)研究水平迅速走到國際前列。
基因組學(xué)、合成生物學(xué)等現(xiàn)代生物學(xué)理論和技術(shù)，與天文學(xué)、地質(zhì)學(xué)、古生物學(xué)以及遺傳學(xué)的最新進展相結(jié)合，為研究生命起源和進化提供了新思路、新手段。運用現(xiàn)代生物學(xué)知識和生物化學(xué)方法人工合成蛋白質(zhì)、核酸等并實現(xiàn)其生物學(xué)功能，這是研究生物分子體系起源并實現(xiàn)由簡單到復(fù)雜演化機理的重要途徑。對現(xiàn)存生物的亞細胞和細胞結(jié)構(gòu)，先通過分解分析認識其最基本組成單元，再通過人工設(shè)計組合產(chǎn)生新的符合設(shè)計目標(biāo)的可復(fù)制細胞，逐步實現(xiàn)實驗室中“人造生命”的夢想，使人類可以深度改造和創(chuàng)造生命。
探索智能的本質(zhì)，了解腦結(jié)構(gòu)及其認知功能，不但是腦與認知科學(xué)領(lǐng)域的基本問題，更是最具挑戰(zhàn)性的科學(xué)命題之一。對腦認知功能的研究有兩條途徑：一是自上而下的還原論，從宏觀的腦區(qū)到介觀的神經(jīng)環(huán)路、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，再到微觀的蛋白質(zhì)、基因，追蹤認知的生物學(xué)基礎(chǔ)；另一條是自下而上的演生論，從信號到符號、編碼，再到圖像、概念，最后到情感、意識和行為，探求認知的機理。這兩條途徑近年來都取得了重大進展。許多發(fā)達國家都在制定“腦研究計劃”，我國也在醞釀類似計劃。我國的研究計劃除了研究腦結(jié)構(gòu)和功能外，還將其與人工智能和神經(jīng)系統(tǒng)疾病的防治緊密結(jié)合。這是非常符合科學(xué)規(guī)律的選擇，因為腦認知和人工智能是密切相關(guān)的兩個學(xué)科，在很多方面可以互相借鑒，實現(xiàn)深度交叉融合。
（作者為中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)院物理研究所研究員）
《 人民日報 》（ 2015年10月18日 05 版）