文／項 錚

人類意識的生物基礎(chǔ)是什么？人腦和機器能否直接通訊？人能延緩衰老嗎？……

2021年青年科學(xué)家502論壇日前發(fā)布的“十大科學(xué)技術(shù)問題”，由100位“科學(xué)探索獎”獲獎?wù)吖餐x出，內(nèi)容涵蓋人類意識、人機通訊、量子計算實用化、地外行星居住等學(xué)術(shù)界和社會共同關(guān)心的熱點領(lǐng)域，代表了中國青年科技工作者的前沿科學(xué)洞察。那么，科學(xué)家是如何解讀這大十科學(xué)問題的呢？

問題1 人類的意識、學(xué)習(xí)和記憶的生物基礎(chǔ)從何而來？

北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院教授李毓龍：目前的科學(xué)研究表明，意識的產(chǎn)生、學(xué)習(xí)記憶能力的發(fā)展主要依賴于大腦。大腦中有數(shù)百億神經(jīng)元，神經(jīng)元間有復(fù)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世界——形成意識；反過來客觀世界又能重塑網(wǎng)絡(luò)的連接方式——發(fā)生學(xué)習(xí)和記憶。

由于大腦超級復(fù)雜，電學(xué)、光學(xué)或化學(xué)等單一學(xué)科不足以解析大腦的結(jié)構(gòu)和功能，想要進一步理解大腦的工作原理，人類需要研究一系列學(xué)科深度交叉的新技術(shù)，比如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)空間結(jié)構(gòu)解析技術(shù)、大規(guī)模神經(jīng)活動記錄和分析技術(shù)、精準(zhǔn)的神經(jīng)操控技術(shù)。

問題2 人腦和機器是否能實現(xiàn)直接通信？

北京大學(xué)人工智能研究院研究員楊玉超：腦機接口技術(shù)是人腦和機器直接通信的橋梁，該技術(shù)可直接提取神經(jīng)信號，分析完成人的行為意向，通過高通量多位點腦信息獲取、在線神經(jīng)信號解碼、腦機融合智能設(shè)備、腦干預(yù)技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)干預(yù)人腦行為。

目前，腦機接口技術(shù)已經(jīng)實現(xiàn)高速意念打字、機械手快速抓取等，但精準(zhǔn)度有待提升。未來腦機接口的發(fā)展方向?qū)⑹蔷珳?zhǔn)、小型化、高度集成化、生物兼容性強。通過此項研究，將與類腦計算、人工智能等技術(shù)結(jié)合實現(xiàn)腦機混合智能。

問題3 通用人工智能是否能實現(xiàn)？

中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所研究員山世光：自計算機誕生后，人類的基礎(chǔ)計算能力和機械記憶能力卻被機器碾壓式超越。最近十年來，深度學(xué)習(xí)的復(fù)興，特別是最近BERT/GPT-3等具備超強語言能力的預(yù)訓(xùn)練大模型的誕生，再次燃起了AI專家心中的理想火焰。賦予算法機器類人的、求解新問題的能力，其挑戰(zhàn)在于：機器如何更高效地獲取經(jīng)驗數(shù)據(jù)并從中學(xué)習(xí)，實現(xiàn)“舉一反三”、小樣本歸納并演繹、“吃一塹長一智”乃至“無師自通”等能力？求解之路仍然迷霧重重，甚至連初見端倪的預(yù)訓(xùn)練大模型是否是正確的起點亦不得而知，AI科學(xué)家們只能在迷霧中上下求索。

問題4 如何延緩衰老，促進機體修復(fù)，提高人類壽命？

北京大學(xué)未來技術(shù)學(xué)院教授劉穎：1939年，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，限制熱量攝入可延長大鼠的壽命，首次證明衰老可以被人為干預(yù)。1988年，研究人員發(fā)現(xiàn)某一個基因突變可以增加線蟲的壽命，證明了對單一基因的干預(yù)能影響和決定生物體的壽命，這些讓科學(xué)家增加了找到?jīng)Q定衰老速度和壽命長短的“法寶”。隨后，科學(xué)家們又有了新的發(fā)現(xiàn)，根據(jù)這些發(fā)現(xiàn)，一些科學(xué)家已經(jīng)在研發(fā)抗衰老藥物。

未來，科學(xué)家將整合多條衰老相關(guān)遺傳通路，加深對衰老生物學(xué)的理解。在尊重生物倫理的基礎(chǔ)上，推進直接靶向衰老通路的臨床試驗。因為這些方向的研究有望延緩甚至逆轉(zhuǎn)衰老。

問題5 如何實現(xiàn)量子計算實用化？

中國科技大學(xué)量子物理與量子信息研究部教授陸朝陽：量子計算是目前人類唯一被嚴(yán)格證明具有解決經(jīng)典計算機無法求解問題的潛力新方法。然而，真正的應(yīng)用還有諸多挑戰(zhàn)，其中之一就是如何把真實重大應(yīng)用映射到量子計算系統(tǒng)中。量子模擬和計算的能力隨可操縱的量子比特數(shù)呈指數(shù)增長，因此如何有效擴展量子比特的規(guī)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受到環(huán)境噪聲的影響而出錯，要最終實現(xiàn)可編程的通用量子計算機，通過量子糾錯來保證整個系統(tǒng)的正確運行是必然要求，也是較長時期內(nèi)面臨的主要挑戰(zhàn)。在量子比特系統(tǒng)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(yīng)用，可以構(gòu)建針對特定問題的專用量子模擬機，則有望揭示凝聚態(tài)物理中若干復(fù)雜體系的機制。

問題6 清潔能源、環(huán)境保護、氣候變化的協(xié)同機制如何建立？

清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院教授王書：構(gòu)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(jié)能提效減污降碳技術(shù)、能源環(huán)境系統(tǒng)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(yīng)對路徑、零碳/負(fù)碳能源技術(shù)及系統(tǒng)的綜合評價、促進能源轉(zhuǎn)型的碳市場機制等開展研究。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、碳市場機制等最有可能取得突破。

問題7 暗能量和暗物質(zhì)的本質(zhì)是什么？

南京大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院教授施勇：暗能量是指未知的“斥力”來加速宇宙的膨脹，暗物質(zhì)是指未知的物質(zhì)來產(chǎn)生額外的引力，按照目前的觀測推算，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，地面和空間的各類大型科學(xué)基礎(chǔ)設(shè)施將通過多種手段來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間變化，以及是否隨宇宙空間變化等現(xiàn)象；暗物質(zhì)方面，將通過其湮滅或衰變現(xiàn)象、與正常物質(zhì)的碰撞現(xiàn)象、以及其在宇宙空間的密度分布等方法來探索其本質(zhì)。多種探測手段的結(jié)合和互補是我們真正理解暗物質(zhì)和暗能量的關(guān)鍵。

問題8 人類如何在地外行星（如火星）上居住一年以上？

中國科學(xué)院地球與行星物理重點實驗室主任魏勇：實現(xiàn)宇航員在火星居住一年以上，是對人類航天、能源、通信、電子、醫(yī)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，將顯著改變?nèi)藗兊纳罘绞?，甚至引發(fā)新一輪歷史性的科技革命。該項目的規(guī)模和復(fù)雜程度為人類歷史之最，對管理學(xué)等社會科學(xué)的發(fā)展同樣會產(chǎn)生深遠影響。國際合作是實現(xiàn)這一目標(biāo)的最優(yōu)方式，世界科技合作與競爭也有可能圍繞這一問題，產(chǎn)生新局面和新態(tài)勢。

問題9 如何“求教”大自然，開發(fā)高度集成、智能、可修復(fù)的仿生系統(tǒng)？

香港城市大學(xué)機械工程系講座教授王鉆開：仿生系統(tǒng)的構(gòu)建，涉及到方方面面：從材料、制造到組裝，從單元、個體到集群。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(gòu)建仿生智能表界面，有效調(diào)控仿生系統(tǒng)與外界環(huán)境的交互；再到開發(fā)規(guī)?；G色制造技術(shù)，構(gòu)建跨尺度、多功能協(xié)同的仿生系統(tǒng)；乃至發(fā)展高度集成的智能類生命體，人類將一步步向大自然“求教取經(jīng)”。

問題10 太陽能發(fā)電的規(guī)?；咝?yīng)用如何突破？

北京大學(xué)材料科學(xué)與工程系特聘研究員周歡萍：目前科學(xué)家主要圍繞材料體系、制備工藝、器件結(jié)構(gòu)及工作原理展開工作。從目前的研究來看，在光-電轉(zhuǎn)換基本過程與新原理；高效、穩(wěn)定光電轉(zhuǎn)換材料的理性設(shè)計；低成本、高通量的可控制備方法；光電材料與器件中的結(jié)構(gòu)和表界面設(shè)計與調(diào)控等方向上，最有可能獲得突破。