文 | 袁岚峰中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心副研究员
科学各个领域的突破 ， 在可预测性方面 ， 有两个极端 。
一个极端 ， 是完全无法预测 。 例如数学中的哥德巴赫猜想、黎曼猜想、P对NP问题等传统难题 ， 由于它们依赖于研究者的灵光闪现 ， 没人知道它们什么时候能突破 。
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图为按照与实物1比20的比例建造的核聚变“ITER托卡马克装置”模型的资料照片 。 新华社发
【月球|2021，最有可能取得突破的科学领域是哪个？】另一个极端 ， 是有明确的时间表 。 例如可控核聚变 ， 多国参与的重大项目国际热核聚变实验堆（ITER）2020年7月28日开始在法国组装 ， 预期将组装到2025年12月 。 同时 ， 中国聚变工程试验堆（CFETR）也正在进行工程设计 。 它们有非常明确的目标 ， 就是在2050年前后建成示范的聚变电站 ， 2070年前后建成有商业价值的核聚变发电站 。
大部分科学领域介于这两个极端之间 。
具体到2021年 ， 最有可能取得突破的 ， 首先就是与新冠病毒有关的研究 。 无论是疫苗、治疗方法还是病毒溯源 ， 在各国大量的资源投入之下 ， 都有可能取得不少成果 。 当然 ， 病毒也在迅速进化 。 所以 ， 人类离打败新冠病毒的路还很长 。
人工智能方面 ， 2020年 ， 谷歌旗下的“深层思维”公司开发的人工智能AlphaFold破解了“蛋白质折叠”难题 ， 在通过氨基酸序列预测蛋白质折叠结构方面实现了前所未有的预测精度 。 这对生物、制药等领域具有重大意义 ， 在2021年可能开启一场革命 。
2020年是火星探测窗口期 ， 阿联酋、中国和美国均向火星发射了探测器 。 在2021年上半年 ， 它们都将到达火星 。
目前 ， 中国的“天问一号”即将进入火星轨道 ， 这是最有趣的春节礼物 。 接下来它会环绕火星飞行近3个月 ， 在2021年5月择机登陆火星 。 随后火星车将驶离着陆平台 ， 开展巡视探测等工作 ， 即“绕落巡”三步走一次完成 。
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2020年10月1日 ， 国家航天局发布我国首次火星探测任务“天问一号”探测器飞行图像
在火星探测上 ， 美国是走得最远、贡献最多的 。 近年来的一大发现就是火星上有水 ， 而且是含盐量很高的水 ， 虽然是在地下 ， 但有水就可能有生命 。 因此 ， 现在火星探测的一大重点就是往地下寻找生命 。 说不定两年内 ， 人类就能发现火星生命存在或存在过的迹象 。
2020年 ， 中国的嫦娥五号从月球取回了1731克月壤 。 2021年将开启对月壤的研究 ， 这对月球起源、太阳系演化等科学问题有重要价值 。
在月球探测方面 ， 英国、印度、俄罗斯和美国2021年也有行动计划 。
英国的目标是继美俄中之后第四个实现月球“飙车” 。 不过英国的月球车不怎么像车 ， 倒更像个蜘蛛 ， 因为它并非有4个轮子 ， 而是有4条腿 。 事实上 ， 英国月球车的名字就是“晨蜘蛛”（Asagumo） 。
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英国月球车“晨蜘蛛”（Asagumo）（来源：Asagumo设计公司spacebit官网）
印度的目标是派出“月船3号”再次尝试月球软着陆 。 印度上一次尝试是在2019年9月7日 ， 其“月船2号”的“软着陆”变成了“硬着陆” ， 着陆器撞到了月球上 。
俄罗斯的目标是重启他们中止了40余年的月球探测计划 ， 在月球的陨石坑着陆 ， 寻找水的痕迹 。 他们的探测器叫做“月球25号” ， 又名“月球-水珠”（Lunar-Glob） 。 在此之前的“月球24号”是1976年苏联月球计划中最后一个送回月球表面样本的探测器 。
美国的目标是把无人试验飞船送入远距逆行轨道 。 这将是美国重返月球的“阿尔忒弥斯计划”的第一步 。
国际天文界在2021年的一个重头戏 ， 是“跳票”多年的詹姆斯－韦伯空间望远镜终于要发射了 ， 计划于10月31日在法属圭亚那发射 。 它的发射时间从2007年一路推迟到2021年 ， 耗资从5亿美元一路飙升到100亿美元 ， 成为了一个传奇 。 如果这次发射顺利 ， 它将到达日地拉格朗日点L2 ， 即日地连线在地球外侧约150万公里的地方 ， 该位置可以使它相对于地球和太阳保持静止 。
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美国国家航空航天局提供的詹姆斯－韦伯空间望远镜效果图
2021年 ， 中国的空间站将开始组建 。 首先发射的 ， 是核心舱“天和号” 。 空间站既是载人航天的重要平台 ， 也是科学实验的重要平台 。 空间站将配置超冷原子、高精度时频、高微重力等13个科学实验柜 ， 可开展空间生命、流体燃烧、材料、基础物理等研究和实验 。 舱外设置的空间环境监测载荷 ， 可为空间站提供太阳活动和大气密度等空间环境监测及预报支持 。
超冷原子是利用原子的量子效应 ， 实现常规方法无法达到的精密操控 。 例如超高精度的原子钟 ， 从宇宙诞生至今的138亿年内误差不超过1秒 。 从这个意义上来说 ， 空间站可以看作是一种科学基础设施 。
最近几年 ， 中国建成了一个重要的科学基础设施——跨度4600公里的天地一体化量子通信网络 。 它包括2016年发射的世界首颗量子科学实验卫星“墨子号” ， 和2017年开通的世界首条量子保密通信干线“京沪干线” ， 为量子通信的大规模应用奠定了基础 。 在量子通信领域 ， 中国领先欧洲3~5年 ， 领先美国5~8年 。
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在西藏阿里观测站 ， “墨子号”量子科学实验卫星过境 ， 科研人员在做实验（2016年12月10日摄 ， 合成照片）
量子通信网络的基本功能 ， 是实现不被任何数学攻击破解的加密数据传输 。 此外 ， 利用相通的量子精密测量技术 ， 量子通信网络还可以用于超高精度授时系统这样的实用目的 ， 以及用天地超大尺度量子干涉来检验量子力学与广义相对论的融合这样的基础研究目的 。
在量子精密测量方面 ， 中国科学技术大学杜江峰院士研究组在“金刚石色心量子比特”方面是世界领先的 ， 这种体系可以作为超高精度的探测器 。 近期 ， 他们以前所未有的精度探测自旋-物质相互作用方式 ， 发现了全新的现象 ， 看起来很像一种暗物质的候选粒子“轴子”（axion） 。 这个结果还没有完全确认 ， 但如果确认了 ， 就可能超越现在粒子物理的标准模型 ， 也许会开启科学革命 。
在量子计算方面 ， 2020年12月 ， 中国的量子计算机“九章”实现了“量子优越性” 。 它对经典数学算法高斯玻色取样的计算速度 ， 比目前世界最快的超级计算机“富岳”快100万亿倍 。 “九章”采用的物理体系是光学 ， 而2019年在全球首次实现“量子优越性”的美国谷歌公司量子计算机“悬铃木”采用的物理体系是超导电路 。 “九章”在全球第二个实现了“量子优越性” ， 也是第一个用光学体系实现了量子优越性 。
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“九章”光量子干涉实物图
量子计算的技术路线除了光学和超导之外 ， 还包括离子阱、冷原子、核磁共振、金刚石色心等等 。 各个技术路线的实验组都在不断努力 ， 说不定很快就会有新的技术路线实现量子优越性 。
需要说明的是 ， 实现量子优越性只是量子计算机发展过程中的关键节点之一 ， 后面还有很长的路 。 例如下一步是用量子计算机解决具有重大实用价值的问题 ， 这可能在5年内实现；再下一步是研制可编程的通用量子计算原型机 ， 这可能需要20年或更长时间 。
粒子物理 ， 其进步依赖于加速器和探测器 。
目前全球最大、能量最高的粒子加速器是欧洲的大型强子对撞机（LHC） ， 它最著名的成就是在2012年发现了被称为“上帝粒子”的希格斯粒子 ， 完成了粒子物理所谓的“标准模型” 。 此后它一直在寻找新粒子的踪迹 ， 但还没有突破 。 目前 ， LHC正在进行亮度升级 ， 将亮度即单位时间里粒子的数量提升到原来的5至10倍 ， 预计2026年完成 。
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图为在瑞士梅兰附近地下洞穴中拍摄的欧洲核子研究中心大型强子对撞机的紧凑缪子线圈
关于中国是否应主导建设大型对撞机——环形正负电子对撞机（CEPC）的问题 ， 中国科学界争论了几年 ， 目前还没有决定 。 对于这样一种高投入设施 ， 即使是经济富裕、重视科研的欧美和日本 ， 也都慎之又慎 。 如果建成 ， CEPC将成为世界上最强的希格斯粒子生产工厂 ， 把希格斯粒子各项性质的测量精度提高一个量级 。
粒子物理在加速器之外的另一个发展方向 ， 称为非加速器物理 。 它是用探测器接收宇宙线粒子或非加速器手段产生的粒子 ， 以寻找新现象和新物理 。
例如日本的超级神冈探测器（Super-K） ， 最初目标是探测质子衰变 。 这个目标没有实现 ， 却意外发现了太阳发出的中微子可以在3种类型之间转换 。 这种现象叫做“中微子振荡” ， 说明中微子不是像传统认为的质量为零 ， 而是有非零的质量 。 超级神冈的主持人小柴昌俊因此获得了2002年的诺贝尔物理学奖 。
中国迄今在粒子物理领域最重要的实验成就之一 ， 就是中微子振荡几率的精确测量 。 该项目为大亚湾中微子实验 ， 是一个中美合作的项目 。 大亚湾核电站发出了很多中微子 ， 为这个实验提供了材料 。 具体地说 ， 大亚湾中微子实验测定了中微子之间的混合角θ13 。 项目主持人、中方的王贻芳院士和美方的陆锦标院士因此获得了2016年的基础物理学突破奖 。
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2020年12月12日 ， 在深圳大亚湾核电基地举行的退役仪式上 ， 中微子实验装置的外罩打开
尽管人类已经知道中微子有3种 ， 以及它们之间的转化几率 ， 但直到现在 ， 人类还不知道这3种中微子的质量顺序 ， 即谁轻谁重 。 这将是大亚湾中微子实验的后继者——江门中微子实验（JUNO）的任务 。
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位于广东省江门市开平市的江门中微子实验项目建设现场（2019年6月23日摄 ， 无人机照片）
2020年12月12日 ， 大亚湾中微子实验项目正式退役 ， 它可能会改建成一个科普基地 。 江门实验项目正在建设 ， 两年后那里将成为全世界最大的液体闪烁体中微子探测器 。 再加上美国的深层地下中微子实验（DUNE）、日本的顶级神冈探测器（Hyper-K） ， 未来10年 ， 全世界预计共有3台大型中微子实验陆续启动 ， 新一轮竞争正在拉开序幕 。
在粒子物理与宇宙学方面 ， 中国有不少大型探测器正在建设和运行 。 例如探测宇宙大爆炸产生的原初引力波的阿里原初引力波偏振望远镜（AliCPT）、探测暗物质的中国锦屏地下实验室（CJPL） ， 以及探测高能宇宙线的高海拔宇宙线观测站“拉索”（LHAASO） 。
最为公众熟悉的是“中国天眼” ， 即位于贵州大窝凼的500米口径球面射电望远镜（FAST） 。 它是目前世界最大的单口径射电望远镜 。 2020年 ， FAST在快速射电暴和脉冲星方面取得了重要成果 ， 并开启了对外星文明的搜索 。
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2019年8月27日无人机在贵州省平塘县拍摄的被誉为“中国天眼”的500米口径球面射电望远镜（FAST）全景（拼接照片）
此外 ， 还有探测暗物质的“悟空”卫星（DAMPE） ， 探测硬X射线的“慧眼”卫星（HXMT） ， 探测引力波的“太极计划”和“天琴计划” ， 以及探测引力波暴高能电磁对应体的“极目”卫星（GECAM） 。
科学研究就像播撒光明之种 ， 虽然难以预计何时能开花结果 ， 但它的每一点成长 ， 都让我们更接近照亮宇宙的那一天 。
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