本文转载自公众号：科学加

2020年12月31日晚21时，首都科学讲堂特别节目——“2021科学跨年之夜”在北京广播电视台科教频道成功播出，11位科学家接力演讲，为公众奉献了一场精彩纷呈的科学盛宴。

“2021科学跨年之夜”活动由北京市科学技术协会主办，北京科学中心承办，北京科技报社和北京科技记者编辑协会协办,北京广播电视台科教频道制作。北京市科学技术协会主席、中国工程院院士、中国医学科学院基础医学研究所分子生物学国家重点实验室主任刘德培在节目中作新年致辞，北京市科协常务副主席司马红，党组成员、副主席刘晓勘，二级巡视员陈维成出席节目录制。

“2021科学跨年之夜”以“唱响科技进步新时代、展望创新发展新未来”为主题，以“解读科学精神”为主线，以“当前科学热点”为话题，以科学家演讲为主要形式，邀请薛其坤、胡伟武、金涌、王中林等11位在各自领域有重大贡献的科学家，分别就量子技术的发展与前景、我国的芯片自主研发之路、纳米能源的应用、新冠疫情中的科学发现、用科技手段保障粮食安全、我国在人工智能产业浪潮中的位置、气象服务的原理与作用、北斗导航系统重大突破、月球及火星等深空探测计划、创造性思维与科技创新、科学探索中的好奇心等为主题，向公众讲述了重大科研成果的创造故事、建设科技强国的奉献故事、国家科技发展的进步故事，大力弘扬爱国创新、求实奉献、协同育人的科学家精神，激扬“敢为天下先”的创造豪情，凝聚全社会建设国际科技创新中心和世界科技强国的磅礴力量，为实现中华民族伟大复兴作贡献。

请看科学家们的精彩演讲全文。

摄影/张星海（除署名外）

新年致辞

刘德培

北京市科学技术协会主席

中国工程院院士

中国医学科学院基础医学研究所

分子生物学国家重点实验室主任

一元复始，万象更新。在2021年即将到来之际，我谨代表北京市科协向辛勤工作在全市各条战线上的科技工作者致以新年的祝福！向多年来关心和支持科协发展的各级党委、政府、有关部门和社会各界表示诚挚的敬意！

2020年是具有里程碑意义的一年。面对突如其来的新冠肺炎疫情，北京市科协向首都科技工作者发出倡议书，广大科技工作者以高度的政治责任感和使命感，积极投身这场人民战争、总体战、阻击战，为取得抗击新冠肺炎疫情斗争重大战略成果作出了重要贡献。

人间万事出艰辛，越是困难越向前。党的十九届五中全会确立了建设科技强国的重要战略目标，明确提出要坚持创新在我国现代化建设全局中的核心地位，把科技自立自强作为国家发展的战略支撑。在科学上没有平坦的大道，只有不畏劳苦沿着陡峭山路攀登的人，才有希望达到光辉的顶点。首都广大科技工作者要以习近平新时代中国特色社会主义思想为指导，准确把握改革发展面临的挑战和机遇，增强使命感和责任心，善于在危机中育新机、于变局中开新局，更加突出创新发展，积极推进国际科技创新中心建设，为首都高质量发展提供强大科技支撑。

初心如磐,使命在肩。让我们用拼搏与实干唱响新时代，用创新与探索畅想新未来！

抗击疫情

抗击疫情的科学发现

整理/记者 李晶

吴尊友

中国疾病预防控制中心流行病学首席专家

“分离病毒、破解病毒基因序列、确定平均潜伏期、确定传播方式，成为2020年最重要的科学发现，也是中国科学家为抗击全球新冠肺炎做出的最重要的贡献。”

作为2020年全球最重要的公共事件，新冠肺炎疫情牵动着每一个人的心。于是在科学研究方面，分离新冠病毒、破解病毒基因序列、确定平均潜伏期、确定传播方式，也就成为了2020年最重要的科学发现。这四大科学发现，奠定了认识一种新型传染病的基础，也奠定了我们制定科学防控策略的基础。这四大科学发现，也是中国科学家为抗击全球新冠肺炎疫情做出的最重要的贡献。

四个重要的科学发现

从2019年底到2020年初，新冠肺炎开始在武汉流行。在最早的三周中，从确定不明原因肺炎疫情到武汉封城，前后约21天的时间里，我们就取得了四大科学发现。

2019年12月27号，卫生系统首先关注到这可能是一起比较异常的疫情。在12月30号，武汉市卫健委确定其为不明原因肺炎疫情；12月31号，国家卫健委派工作组、专家组到武汉协助工作；2020年1月7号，中国疾病预防控制中心率先分离出新型冠状病毒，同时中国疾控中心、中国科学院武汉病毒所、中国医学科学院又从基因序列证实其为新型冠状病毒，从而确定了这一不明原因肺炎的病原体。

1月12号，我们把基因序列上传到世界卫生组织数据平台与全球各国分享。1月10号，诊断试剂被派往武汉，用于临床诊断。

我们看到，从确定这是一起不明原因肺炎的疫情到分离出病毒，用了不到一周的时间；从分离出病毒到诊断试剂用于临床诊断，只用了两天的时间。1月20号，新型冠状病毒肺炎被列入国家法定报告传染病。1月23号，我们采取了最强有力的措施控制疫情：武汉封城。从确定不明原因肺炎疫情、到分离病毒、到诊断试剂，只用了一周多的时间，这创造了人类认识一种新传染病的最短时间记录。

很多人不明白，破解病毒基因序列有什么意义？实际上，病毒基因序列是我们认识一种病原体最重要的生物特征指标——有了基因序列，就可以生产诊断试剂；有了基因序列，就可以研制预防疫苗。因此，上述四大科学发现，奠定了中国乃至世界控制新冠肺炎疫情的科学基础，也是中国科学家为世界控制新冠肺炎疫情做出的最重要的贡献。

在这场必须打赢的抗疫战斗中，中国科学家跑出了中国速度。在武汉疫情得到控制以后，我国又陆续出现了几起聚集性的疫情，比如北京新发地市场、大连、青岛、新疆喀什等地。在控制这一系列疫情的过程当中，我们采取的主要措施包括四个方面。第一是早发现、早隔离、早治疗；第二，根据传染病传播规律，在发现感染者以后，进行流行病学调查，确定密切接触者，并对密切接触者进行管理；第三，采用核酸检测的方法来确定疫情的规模，发现早期的感染者。第四，治疗病人。

疫情防控案例分析

比如在新发地市场疫情中，北京是怎么应对的？2020年6月11号，北京经历56天没有本地发生病例以后，首次报告了确诊病例。接到报告后，北京市疾病预防控制中心拉响了警报，第一时间对病人进行了流行病学调查，发现这个病人在过去14天去过23个地方。对23个地方进行环境采样后，发现了新发地的环境样本呈阳性。在随后进行的第二至第四例病例流行病学调查中，又报告有新发地的共同暴露史。

从第一例病例报告到确定、锁定新发地源头，前后只有16个小时。接下来，北京市疾控中心和相关的部门，很快对北京新发地周围进行了调查；北京市成立了防控指挥部，对新发地进行了封闭管理。

新发地是北京一级分流批发市场，每天有几十万人进出，涉及到全国各地。开展流行病学调查，是一个非常复杂的问题。所谓的“流行病学调查”，就是对感染新冠的病人进行“查上家、追下家”，谁感染了他？他又有可能传染给谁？

北京新发地疫情从6月11号报告首例病例，到7月5号最后一例新诊断的病例报告，前后经历了25天。新发地的疫情响应，应该说为全国乃至世界应对新冠肺炎疫情提供了一个非常好的榜样。

中国的公共卫生响应是一流的

近来，全国多地又发生了零星散发的病例。新冠肺炎疫情得到控制后，我国环境当中是没有新冠病毒的。如果再次发生疫情，病毒一定“有来头、有源头”。病毒一般应该有以下几种来源：

首先，从境外回国的人员当中可能有感染者。把这些感染的人管住了，就能够控制住疫情。第二，目前在医院接受治疗的病人。第三，境外输入的物品。这些物品在夏季的时候主要是冷链运输的物品，进入冬季以后，所有从境外输入的物品都有可能带有病毒，都有可能造成人的感染。第四，某些研究病毒的实验室里面有病毒。如果实验室安全措施不到位，造成工作人员感染，也会造成疫情的扩散。

从这几个方面我们可以看到，新冠肺炎疫情的再次发生，要么是“人传人”造成的，要么是“物传人”造成的。针对“人传人”的情况，我们已经建立了一整套的体系。目前，相关的一系列措施已经非常完善了，由这种方式造成的风险比较小。

进入冬季以后，“物传人”是主要的风险点。无论是空运、海运、陆运，只要是境外进来的物品，都有可能受到污染。所以，海关是我们把住国门的第一关，但海关也不能完全杜绝病毒的进入。为了防范这些病毒，我们还可以定期地在整个运输链上进行检测，并对从业人员进行应急疫苗接种，防止他们感染。这些措施都能够帮助我们把疫情控制在一个最低的水平。

我们还发现，在进入冬季以后，除了货物以外，从境外进来的集装箱（包括空的集装箱）如果受到污染，也有可能造成新的疫情。这些新的认识，增加了我们应对新冠肺炎传播流行的知识，也为我们积极防控提供了新的应对措施。这些措施的应用，为我们保证冬季乃至后续春季不出现严重疫情，打下了坚实的基础。相信在2021年，我们将战胜新冠肺炎疫情。

在已经过去的2020年里，中国向世界展示了中国力量。这种中国力量体现在党中央、国务院的英明决策、强有力的领导，举国上下齐心协力，中国科学家不负众望，用科学技术认识新冠肺炎，用科学技术指导新冠肺炎防控，使得中国成为全球新冠肺炎疫情控制最好的国家。在2021年，我相信中国还会继续引领世界抗击新冠肺炎疫情。

科技之光

科学梦想建立在点滴汗水之上

整理/记者 赵玲

薛其坤

北京市科学技术协会副主席

中国科学院院士

北京量子信息科学研究院院长

南方科技大学校长

北京市科学技术最高奖获得者

“科学传播不仅仅是科学知识的传播，还应该包括科学精神的传播，科学思想的传播以及科学方法的传播。”

最近一段时间，“量子科技”这个概念非常热，那究竟什么是量子科技呢？

量子是科学家在上个世纪初，为了描述微观世界的状态和微观世界的运动规律所提出来的概念，它是一份一份的。正如描述人时，我们说“一个人”“两个人”，而不能是“一个半人”或“1.3个人”一样，量子描述的是一个不可分割的最小单元。

被误会的量子技术

现在有很多人在炒作量子产品，比如说“量子鞋垫”“量子水杯”，这些概念显然是不正确的——因为量子力学是描述原子、电子等微观粒子的科学，大家一定要注意这一点。

那么目前世界上就没有真正的量子技术、量子产品吗？

实际上，在我们如今的信息社会中，有很多量子产品已经得到了应用，只是我们没有为它们冠上量子这个词，大家可能不知道它们与量子科学的联系。比如说计算机用到的存储信息的硬盘，光纤通信的激光，卫星定位系统用到的原子钟，这些其实都属于量子技术、量子产品。

量子反常霍尔效应的发现

我的团队在2012年年底，发现了“量子反常霍尔效应”。那么，什么叫量子反常霍尔效应呢？这是描述材料中电子运动规律的一个效应。在量子反常霍尔效应的状态下，材料中的电子就像高速公路上的汽车一样，排着队、有序地运动。所以说量子反常霍尔效应可以应用在未来的电子器件、计算机芯片中，一旦用上了以后，因为这种使电子运动规律有序的效应，所消耗的电会大大减少，电子器件的运行速度也会加快。

量子反常霍尔效应的发现，给了我们什么启示呢？其中一个启示就是高精尖实验技术的打造十分重要，这也是科学创新非常重要的一点。中国古人有句话：“有了金刚钻，才能揽瓷器活”。现代科学技术发展到今天，这种高精尖实验技术的打造，就像打造金刚钻一样，非常重要。

科研人的小故事

我想和大家分享几个小故事。

第一个故事是我在年轻的时候考研的故事。我大学毕业那一年曾积极地准备考研，但最终没有成功。为了实现当一个科学家的梦想，大学毕业两年后，我又参加了一次研究生入学考试。尽管也做了很多努力，还是没有成功。但是到了1987年，我参加了第三次研究生入学考试，最后终于被录取了。这个故事给我们的启示就是一定要坚持，人的一生会碰到各种各样的坎坷，但是你只要坚持，我想你就能突破这些难关。

还有就是我指导学生改文章的故事。有一个学生的英文写作水平不是非常理想。当他完成第一稿以后，我发现其中有很多问题。当时我就给他出了这么一个主意：你把这个文章改十遍，每改一遍存一个版本，等你改完这十遍以后，把这十个版本同时发给我。

这个学生也许是为了应付，也许是对我布置的这种作业不太理解，结果他在很短的时间就完成了十个版本的文章修改。当他把这十个不同的版本发送给我的时候，我发现其中有不少版本之间只差了一分钟、两分钟。后来我就找到他，把每一个版本发生的变化做了一个分析，通过十个版本的比较，我告诉学生应该怎么写好一个文章，改好一个文章。

这些都是点点滴滴的小事。但所谓理想和精神的培养，可能都要从点点滴滴做起。大家都在谈论追求梦想，但梦想是建筑在一滴一滴的汗水之上的，是建立在一步一步之上的。

科学传播不仅仅是科学知识的传播，还应该包括科学精神的传播，科学思想的传播以及科学方法的传播。“少年强则国强”，我衷心地希望广大青少年热爱科学、追逐科学，将来做一个科学家，为中华民族的伟大复兴做出你们的贡献。

科技之光

芯芯之火，可以燎原

整理/记者 王雪莹

胡伟武

中国科学院计算技术研究所研究员

龙芯中科技术股份有限公司董事长

北京市科学技术最高奖获得者

“研发核心技术就像养孩子，要养二三十年才能回报父母。”

现在大家都很关心芯片，关心我们国家芯片的发展。我今天给大家讲一种很特殊的芯片，它是芯片领域的珠穆朗玛峰，它是最重要的芯片，没有之一——这种芯片叫CPU。

什么是CPU？

当代计算机都采用一种结构，叫“冯·诺依曼结构”。冯·诺依曼是一位美国数学家，他在上世纪40年代写的一篇论文中，提出了冯·诺依曼结构。他指出，计算机在逻辑上由五部分组成：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。

其中，存储器就是内存条，大家很熟悉；输入设备有键盘、鼠标等；显示器是输出设备。此外，运算器和控制器加起来，被称为中央处理器（简称CPU）。

那么CPU和芯片是什么关系呢？CPU不一定就是芯片。

在上世纪80年代之前，CPU体现为一堆“柜子”。90年代以后，英特尔的“微处理器”出来了，于是CPU体现为一个芯片，比起早期的那些大柜子快多了。

21世纪以后，我们走进了手机移动端的“ARM时代”，里面的CPU体现为一个IP，我们做芯片可以购买IP来做。所以，CPU不见得是直接体现为芯片的，可以体现为一堆机柜、也可以体现为一个IP。

我国计算机事业的三大阶段

回顾中国计算机事业发展。我觉得到现在为止，我们经历了三个阶段：

第一个阶段就是上世纪50年代到80年代，也就是我的导师那一代。我的导师夏培肃院士，是我国计算机事业的奠基人。1956年成立的中国科学院计算所，成为了我国整个计算机事业的摇篮。那时候的计算机人，可以说是“从矿石造起、从沙子造起”做成芯片，然后做成计算机。当时的计算机可以满足石油勘探、“两弹一星”研制的需求，所以第一个阶段最大的特点就是完全自主，但是没有市场化。

第二个阶段也跨越30年，从上世纪80年代到本世纪的前十年。这个阶段的特点是“造不如买”——国外的东西确实又便宜又好用。虽然计算机的市场规模做得很大，但是我们丧失了自主性，相关研究工作从计算机两大核心（CPU和操作系统）领域的竞争中退出。

今天，我们第三代计算机人的使命，是在市场化条件下，实现自主性。

所以，我国计算机的发展历史中：第一个阶段是完全的内循环，但这个内循环不大，仅是满足特定需求的；第二个阶段我们完全融入国际循环，成为世界工厂，却丧失核心技术；第三个阶段中，我们要构建一个内生的国内大循环。

信息产业“国内大循环”的三大环节

我们要构建“国内大循环”体系，要打通很多技术环节。

我认为IT产业、计算机产业的内循环，包括三个主要环节：第一是基于自主IP核的芯片设计，我们现在做不少芯片，但里面的核心模块、核心IP都是别人的，比如我们可以买ARM的CPU核、买Imagination的GPU核，通过各种接口拼成一个芯片。芯片里的这些核心模块决定了芯片的性能、成本、功耗和安全性，所以我觉得芯片的核心组成模块我国要自己做，否则就是“攒芯片”，不是研发芯片。

第二个环节，是基于自主指令系统的软件生态。我们现在的电脑生态是基于英特尔的X86指令系统，手机的整个软件生态，则都构建在了ARM的指令系统上——电脑上的软件在手机上跑不了，手机的软件在电脑上也跑不了，因为指令系统不一样。所以我们应该有第三套，基于自主指令系统的软件生态。

第三个环节，就是基于自主材料设备的生产工艺。现在境内的一些生产工艺也不错，比如14纳米芯片可以稳定量产了，7纳米也基本成功，可惜大晶圆、光刻胶，生产设备光刻机等技术还受制于人。目前这方面我国也在组织攻关。

发展核心技术的两条路线

那么，我们怎么打造“国内大循环”体系？怎么发展核心技术？我们有两条路线可以走：一条路线可以总结为“市场换技术”；第二条路线叫“市场带技术”。

我认为，如今我们的根本出路是要走“市场带技术”的道路——立足于科技的自立自强，通过自主研发把核心技术掌握了，然后在体制内市场的带动下发展起来，并且走向开放市场竞争。

当然，第二条路走起来辛苦一点、慢一点。但是，有的产品像“养猪”，确实一年就能出来；有些产品像“养牛”，三年就可以犁地去了；而一些核心技术产品则像养孩子：我们没见过谁家孩子五岁就能挣钱养父母的，你得养他二三十年——核心技术产品包括“工业的心脏”发动机，包括“信息产业的心脏”CPU，这些都是需要花二三十年工夫（甚至更多时间）才能掌握的。我们要走这条路。

龙芯发展历程

下面我以自己做“龙芯”为例，谈谈我们在不断试错中发展的过程。

我们从2000年开始筹备，2001年在中科院计算所开始研发龙芯CPU。“中国要不要做自己的CPU？”刚开始我们没有得出共识。有些人说：我们明明可以买到很便宜、很好用的东西，你为什么要浪费钱来做这个事情？

但我们做了十年，期间也得到了来自科技部、自然科学基金、科学院、工信部等很多部门的支持。

2010年的时候，我们开始转型做企业、要让市场来检验，走向产业。我们总体就干了两件事：一个是把计算所的科研成果（样品）变成产品；一个是在市场中试试看——到现在为止，我们已经进行了三轮迭代。

第一轮试错花了五年，2015年的时候，我们的龙芯CPU出货了，每年出货几万片，解决了数以千计的问题；第二轮是2016~2019年，每年能卖几十万片，同期又解决数以千计的问题；现在是第三轮试错开始，在过去的2020年，我们的CPU已经卖到上百万片了。我们相信，到2022年，被体制内的市场带动了三轮迭代后，龙芯CPU有能力走向开放市场。

在多年的试错过程中，我们的技术水平不断提高。如今龙芯生态已包含几千家企业，形成了一个产业链，其软件生态也不断丰富。另外，“十三五”期间，我们的CPU性能提高了12倍。所以，我们觉得在试错的带动下，我们是能够达到世界先进水平、完成补课的。

耐着性子坚持干

我们做核心技术，不仅要“撸起袖子加油干”，还需要“耐着性子坚持干”。

核心技术产业，是以三十年为周期的。苏联解体的时候，有一艘在造的航母叫乌里扬诺夫斯克号，1992年拆掉了，从此俄罗斯就丧失了造航母的能力。假设龙芯发展要20年，我相信再有10年，我们可以做出一个新的生态。

那么，有没有办法可以省点时间呢？改革开放以来，我们已经尝试了好多方法：“造不如买”我们经历了，“市场换技术”我们经历了，“研不如买”（直接买下国外团队或国外企业）也经历了。但是，有些东西是不能取巧的。如果把科技创新比作一个数学函数，我们常关注三个变量：体制机制的改进、经费的投入，还有人才。但创新这个函数需要第四个变量，也就是时间、就是耐性。我们“两弹一星”的先辈，几亿的农民工，靠的都是“5+2”“白加黑”的直道追赶。现在我们是第三轮，知识工人上场建设国家，需要的也是“5+2” “白加黑”的直道追赶，就是别人休息的时候我们在干，别人吃饭睡觉休假的时候我们在干。只要依靠实事求是的作风、自力更生的精神、愚公移山的精神，我们就能干好它。

总之，我们要走“市场带技术”的道路，通过自主研发掌握CPU的核心技术，建立自主可控的IT信息技术体系。未来我们失去的只有锁链，得到的将是整个世界。

科技之光

用纳米能源造福世界

整理/记者 李鹏

王中林

中国科学院外籍院士

中国科学院北京纳米能源与系统研究所所长、

首席科学家

“绊倒你的不一定是石头，有可能是金子。”

能源是我们赖以生存的源泉之一，是社会发展的保证。在现代社会，能源（特别是电力）是社会发展的根本需求。

人类过去靠煤、靠石油实现蒸汽机和航空业的发展。而随着新时代的到来，我们的能源遭遇了新的挑战。物联网的出现、手机等个人通讯设备的出现，产生了新的能源需要。具体来说，是移动性能源的需要。

从低熵能源到高熵能源

移动性能源和过去的能源有什么区别？过去的能源是聚集性、高质量的能源，而移动式能源是分布式、无序的、数量多的、不定的能源。

热力学有两个定律，第一个叫能量守恒定律：煤变成电，电变成光，光变成热，这些过程中能量的总量不变，这叫能量守恒；第二个定律就是熵要增加，体系中要产生更多的无序性。移动通讯是发散式的、分布式的、无线式的——因此对应的能源也是许许多多的小能源。这叫高熵能源，而过去的传统能源叫低熵能源。

如何满足小能源的需求，是新的时代对我们提出的挑战。在新时代物联网中，传感网络的驱动要靠很多分布式能源来保障，怎么把这散落的、无序的、不规则能源变成有效的电力，就是我们要做的研究。

能源处处有，关键就在于如何把这个高熵能，有效地变为我们能用的能量。

“偶然”的发现

出于好奇心， 15年前我开始探索这方面的问题。

我们当时发明了一项技术，可以利用小型的压电材料，把手指动作的机械功转为电功。用同样的原理，我们可以把无序的运动，例如仓鼠的运动，变成小小的电力。

在探索的过程中，我遇到了很多的意外。研究之初，材料的电力输出很小，很难应用在任何地方，我和学生们就开始想：怎么能够提高电力输出？在一个偶然的实验错误中，我们找到了答案。

当时我和学生做压电实验时，器件都要分装得整整齐齐，电机要贴得非常紧密才可以。有一次学生把器件粘得不太紧，中间落了个小泡泡，我们一测，电量比传统发电机要高——我们的好奇心就来了，为什么高了呢？

通过6个月的研究，我们发现引起异常的原因是摩擦起电。但摩擦起电是2600年以前就有记载的。所以我们以为这只是一个小发现。

后来我们意识到，这其实是一个大发现——虽然摩擦起电大家都知道，但怎么利用这种效应将其变为电力，是我们当时“意外”发现的新方向。

有时候，发现一个现象是偶然事件——这就是科学的美妙之处。人们常问，到底是什么限制了我们的想象力？其实只要有了一个新的角度，有了一个新的思维，就有可能获得一些新的科技产品。

一些领域的科学研究，很多时候是非常辛苦的事情，也经常会有失败。其实，很多时候失败就像是被砖绊了一下，你不要绕道走，而是要把这个砖搬开，它的下面可能是一个铁块，铁块搬开了下面是一个铜块，铜块搬开下面是一个金块，把金块搬开以后，下面就会是个“金矿”，也就是科学发现。做任何事情，我们始终要明白：绊倒你的不一定是石头，有可能是金子。

纳米发电机的应用潜力

通过研究，我们发现摩擦发电有三大应用：第一是作为微纳能源，解决一些小型移动电子产品的电力供应问题；第二是作为自驱动传感器的动力来源，这些传感器不需要额外提供电力，就可以自己工作；第三是可以收集海洋里的潮汐能，这是很广阔的方向。

在2020年抗疫过程中，我们做出了一种摩擦发电口罩，把这个口罩拍一下，就可以达到消毒的效果。我们还可以把摩擦发电整合到智能鞋上面去，有些人爬山时不是怕迷路吗？这个鞋子可以通过发电来进行GPS定位。

摩擦发电可以帮助打造智能纺织。纺织品是最常见摩擦起电现象的例子，整合我们的技术以后，纺织品就具有传感的功能了。除此之外，相关传感器还能测到非常细节的脉搏、脉象。

心脏起搏器每过几年要把电池换一次。能不能利用人们呼吸所产生的能量来发电，并消除换电池的麻烦呢？我们通过12年的努力办到了。2019年，我们首次在大动物上实验成功：把一个3厘米长、2厘米宽、1毫米厚的贴片，贴到动物胸腔内壁上，动物呼吸带动贴片所产生的电力，正好能够驱动一个商用的心脏起搏器，这开启了植入式生物器件的一个新途径、新领域。

传统电磁发电机转得非常快，而我们的摩擦发电可以把“慢动作”变成有效的电功，且和快输出的电压是一样的。比如，人走路、挥胳膊这些慢动作，都能变成有效的功和有效的电力。利用摩擦效应我们还能做到走路发电，或者滑梯发电，这些都是通过摩擦纳米发电机，用摩擦生电作为驱动力，形成了有效的电力供应。

我们可以将这种慢发电装置做成传感器——只要碰上去，就会产生一个信号。所以我们把它做到了乒乓球桌子上，乒乓球打到球桌上沿时是有效球，打到下沿是无效球，所以我们可以利用这个来研究人的打球习惯，来做一些智能体育。

除了智能体育，我们还可以用在资料监测，假如图书馆里面有十万本书，哪一天谁动了哪一本书，就有一个信号出来了，我们就知道哪一本书在几点几分被人翻动过。

自驱动的传感还可以用到其他很多地方，比如环境监测。在水质监测中，可以利用水浮动的能量给传感器供电，并将获得的信息通过无线电及时发射出去。

现在是传感时代。没有传感网络就没有大数据，所以，在大数据技术的前边就是传感器，未来我们的研究会有很多应用。

这个发明未来还可用于风力发电。风力发电大家都知道，但我现在说的不是大自然的风，而是其他的形式——比如随便吹口气，能不能变成小小电力？比如空调里边流动的风，能不能变成电力？现在我们可以做到，这叫做“微风发电”。

水力发电大家也习以为常，其实通过我们的摩擦发电效应，小小的雨点也能变成微小的电力来源。现在太阳能利用很广泛，可在我国南方总是下雨怎么办？我们可以同时收集太阳能和“雨能”。

这项技术还能用到海洋中发电——我们做了很多的摩擦发电单元，连在一起在水波里边漂浮，漂浮的能量就可以收集起来，不管水的深浅，都可以做到漂浮式发电，这种小范围的能源收集叫“蓝色能源”。

纳米发电是一个很有前景的领域，我们现在正在加紧基础研究和产业化应用的研究。我们开拓了麦克斯韦方程，在“麦克斯韦位移电流”方程式里加一项以后，就形成了纳米发电机的理论基础，同时还能把我们的技术定量化。所以，这个领域的未来可以期待。我们正在研究的，是过去从来没有用过的发电方式，它可以把一些被浪费的能源变成有效的能源。

我们的这项研究，在全球是一直领先的。我们国家在这方面也一直在引领世界，目前全球有50多个国家和地区在跟随我们做这方面的研究。

人类对未来是充满希望的，我们要做的是创造未来。通过创造，去实现一个更好的世界！

美好生活

我们的粮食够不够吃？

整理/记者 陈永杰

郧文聚

自然资源部首席科学传播专家

国土整治中心副主任

“中国人肯定能吃得饱，同时也要关注吃得好，吃得安全，吃得放心。”

2020年对于全世界都是很不平凡的一年。由于新冠肺炎疫情，我们对粮食问题空前关心。不仅是中国，全世界都一样。有的国家在新冠肺炎疫情出来以后，做出限制出口本国大米、小麦等粮食的决定。我是从事耕地保护工作的，直接关系到粮食安全。不少朋友问我：“我们的粮食到底够不够吃？”每到这个时候，我会充满自信地告诉他，我们的粮食够吃，我们的口粮绝对安全。

从吃得饱转向吃得好

应该说我国的粮食安全是我们举国体制的一个伟大的成功实践。新中国成立的时候，我国的人均口粮每年不到200公斤。按照国际的统一标准线，达到人均300公斤才是一个能够“果腹”的阶段。

最近几年，我国人均中国粮的占有量在470公斤左右，接近500公斤。500公斤是国际公认的粮食安全相对宽裕的一条线。所以说，我们的粮食够吃是绝对的。但距离粮食宽裕，还有30公斤的距离，再乘上我们14亿人，这个也很不容易。

粮食安全问题不仅是提供主粮，比如米饭、面粉等主要粮食供给问题，还涉及到饲料粮和改善膳食结构问题。吃饱使我们感觉到很自豪,同时，在吃好问题上也做得相当出色。目前，我们已经从吃不饱转向吃得好。

良田、良种、良法相结合

中国用占世界不到9%的耕地，养活了近20%的人口，这是一个了不起的成就。1991年，我在英国时他们问，为什么养活中国人就是了不起的成就？当时我还不能很好地回答。今天我可以很自豪地回答，因为粮食问题不仅仅是一个单一技术问题，而是一整套技术，是一个国家安全的整体解决方案。我们的解决方案取得了胜利！

国家粮食安全是一个根本的安全、安全中的安全。我有过4年的援非工作经历，在非洲帮助几内亚种水稻。我们种了3万亩水稻，当年种，当年产。四年以后我回国的时候，我得到一个宝贵的知识，粮食安全是经济全球化的最后一道防线。如果粮食不安全了，国家可能就会走到一个比较混乱，甚至灾难的局面。

保证粮食安全，从科技角度想到的第一件事，就是种子。一粒种子。中国标志就是袁隆平先生创造的“超级稻”，连破高产纪录。我也认可这一点，科技中间“良种”是一个关键。但粮食安全仅仅靠良种是不够的，我因为是搞耕地保护的、搞良田的，我提倡“良田、良种、良法”——“三良”相结合。

袁隆平先生告诉我，你说得很好，但是要把良种摆到前边，应该是良种、良法、良田。他同时还告诉我，良种是核心，良法是手段，良田是基础。我也很高兴，因为良田是基础，如果没有了这个基础，种子往哪里撒呀？如果耕地不好的话，好的种子种下去以后，相应的技术也用不上去。最终可能不仅不能够获得好的收成，有可能还会把耕地破坏掉。正是我们有了良种、良法、良田相结合的相配套的整体的解决方案，才确保了我们国家的粮食安全，为我们国家的粮食安全提供了坚实有力的科技保障。

当然，我们现在粮食已经够吃了，而且我们吃得也越来越好了，越来越有味道了，但是也不能浪费。今年中央专门提出来了节约粮食的号召，让有些人又担心了，说可能粮食又不够吃了，又有人问我。我可以告诉你,一点问题也没有。

那么为什么要强调节约呢？简单算一个账，如果说一人一天节约一粒米，我们14亿人下来，就是1万斤。2018年，中国科学院地理科学与资源研究所和世界自然基金会联合发布的《中国城市餐饮食物浪费报告》披露，中国餐饮业人均食物浪费量为每人每餐93克，浪费率为11.7%。相当于1亿亩的高标准农田的产量都被浪费掉了。我们只有20亿亩耕地，其中只有10亿亩高标准农田，所以一定要强调节约粮食。

耕地是我国最为宝贵的资源

怎么去认识粮食跟耕地之间的关系呢？应该说保障粮食安全，耕地是根本。如果没有了耕地，粮食从哪里来？粮食生产不仅是个技术，更是一个自然生长过程。技术跟自然的生产耦合起来，才有了我们的粮食安全。

所以，要尊重大自然的造化，把耕地保护好。如果耕地都集中到一个地方去了，味道可能就少了一些。各地有各地的风味，各地有各地的风味物质。保护耕地应该是全国共同的责任。

最近，“加强黑土地保护”成为热词。在中央经济工作会议上也讲了，“加强黑土地保护”。保护黑土地、保护耕地至关重要，而且不仅是黑土地，红土地、黄土地一样都很珍贵。

习总书记还有另外一句话，叫“耕地是我国最为宝贵的资源”。也应该告诉大家，我们吃得饱了、吃得好了，我作为一个从业者，感觉到无比的自豪。但是也正因为我从事这个行业，我也知道其中存在的严峻挑战。因为我们的耕地被全面地、长期地、持续地、高强度地利用，东北黑土地在退化，南方一些地区土壤存在一些污染。耕地资源的可持续利用问题，成为一个突出矛盾。如果耕地出了问题，耕地不清洁了，耕地不安全了，我们的粮食还能够吃吗？我们的粮食还有味道吗？

填好全国土宜图

我的老师给我有一个沉甸甸的交代，要搞清楚“土宜图”（土地适应性地图），就是这一方水土究竟适合生产什么样的农作物，或者种什么样的果树。北京有“京西稻”，就在北京的西部，那是一个特殊的地方，适合发展这种优质农产品。

这都是一方水土能够出产一种名特优的农产品的例子。实际上，老师给我交代的是希望能够做一张图，把全国的“土宜图 ”填好，将来对这样的土地进行特殊的保护、重点的保护。老师没有完成，我也遗憾地告诉大家，我也没完成，但是我把接力棒已经很慎重地交给了我的接班人。我希望他们能够把图填出来，“土宜填图待后生”。

我相信“十四五”期间，一定有更多的科学家关注土宜，在关注粮食安全的同时，关注耕地资源的安全。关注我们中国人吃得饱，也要关注吃得好，吃得安全，吃得放心。

美好生活

自动驾驶离我们还有多远？

整理/记者 赵天宇 摄影/记者 张星海

邓志东

清华大学计算机系教授，

中国人工智能产业创新联盟专家委主任

“中国赶上了人工智能的第三次浪潮，处在世界的第一梯队。”

在北京，每天开车上班下班，不仅考验我们的车技，更考验我们的耐心。特别是在高峰期的三环路上面，可能有时候一个几百米的距离，就能够让我们堵上半个多小时。这时候，大家可能就特别想，汽车能不能自动开到单位去？利用这个时间，可以看看电脑，在车上处理一些工作，或者是干脆到后座去睡个回笼觉。这就是我们畅想的自动驾驶。

什么才是真正的无人驾驶？

自动驾驶一般分为L0到L5，总共六个级别。所谓L0或L1，就是我们的辅助驾驶。真正自动驾驶的起点是L2。L2这个级别上面，不需要人去操控方向盘，不需要去踩刹车或油门，也就是说解放了我们的手脚。

但是，它还是有点不安全，所以在司机的座位上面，还有一个安全驾驶员。在出现不安全苗头的时候，还需要我们的安全驾驶员去接管，这就是所谓的L2的水平了。

自动驾驶的L3级别相当于解放了我们的眼睛，但它在做决策或做路径规划的时候，还没有完全做到百分之百的准确，还需要人类安全驾驶员去干预。但是这个时候安全驾驶员，可以不坐在司机的位置上面，可以坐在副驾甚至后座以及在车外。在遇到紧急情况的时候，尤其是决策方面，还需要去干预它，去接管它。这就好像是人骑马，我们不用去考虑这个马是如何去适应地面的，不管这地面是上坡还是下坡，你只需要拉住缰绳，指挥这个马就可以了。

我们说真正的无人驾驶，一般是指L4或L5。但L4或L5之间还是有区别的。L4是限定区域、限定功能。比如说我们限定它在某一个园区、港口或者是机场进行自主行驶，且有些功能就不能实现。有些区域，比如说非常拥挤，比如说车流量非常大的可能就不去了。

那么顾名思义，L5就相当于我们人类水平的驾驶。也就是说，人可以去的地方，L5的自动驾驶也可以去。人去不了的地方，它也去不了。现在看起来，目前最好的自动驾驶也就能做到L4的水平，像无人驾驶出租车RoboTaxi。但能够做这个事情的企业也是屈指可数。L5的自动驾驶，我们认为还有很长的路要走。

L5自动驾驶还遥遥无期

所谓自动驾驶，就是用机器自主地去替代人类司机的工作。人类司机的工作有什么呢？开车的时候，首先人类司机要去感知路况，去感知路况的信息。为此，我们就需要在这个车上安装很多传感器，比如说激光雷达、摄像头、毫米波雷达。另外，我们还要知道车的精确位置与姿态。最重要的是，我们还要知道，有了这个路况信息以后，要利用路况信息的感知去决策，去决断我们怎么去开车。比如说什么时候刹车，什么时候应该变道，什么时候应该超车。

这就需要自动驾驶汽车模拟人类大脑的功能，也就是人工智能赋能的电脑。专业术语叫车载计算通信平台，用这个平台来解决在实际驾驶过程中遇到的问题。

在自动驾驶的感知方面，它的某些能力甚至已经超过我们人类。比如说人的视力，没法与激光雷达和长焦镜头相比。我们看不到方圆三百米外的物体。

那为什么L4级别的量产汽车，现在还是迟迟不能落地呢？L5的自动驾驶，还认为是遥遥无期呢？原因就是，我们现在人工智能还存在短板，还不先进。

与人类的智能相比，现在的人工智能赋能的眼睛能够看得清楚，但却看不懂。不能够理解我们驾驶场景里面的交通参与者，还有他们之间的相互关系。比如说，行人和斑马线之间是什么关系，它是不清楚的。尤其比较重要的是，在决策能力上，人工智能赋能的这个决策，也就是模拟我们大脑的这个能力，这方面差距就更大了。从这个角度讲的话，自动驾驶汽车的根本问题还在于人工智能。

人工智能已经经历了三次热潮

讲起人工智能的话，可能很多人是在2006年以后，尤其是最近五年AlphaGo出现以后，才知道这个术语的。其实在世界上，人工智能已经经历了三次热潮。

人工智能，最早是在1956年提出来的。1957年的时候，提出了感知机模型，就是用人工神经网络去构建一个单层的或者多层的前馈网络模型。但是在1969年的时候，当时人工智能的先行者之一明斯基写了本书，他说这种感知机模型，是不可能找到一个有效的学习算法的。从此在上个世纪70年代，人工智能第一次陷入了寒冬与低潮。

到1980年代，我是赶上第二次这个热潮的。1986年，感知机不能有有效的学习算法的难题被根本地解决了。当时提出了一种叫误差反向传播的监督学习算法。

同时还出现了特征工程和专家系统的应用。所谓专家系统，就是希望人工智能可以替换老中医，也可以找石油，可以找天然气等等。1986年读研究生的时候，我能感觉到一片热潮，跟现在有些相似。那个时候搞建材的、搞化工的，很多人都热衷于搞人工智能，而且对人工智能怀有不切实际的幻想。现在看起来的话，第二次热潮中人工智能并没有什么产业价值，所以在2000年前后又再一次进入了寒冬。

一直到2012年，人工智能再一次掀起了新的热潮。这次热潮源于时代的进步与历史的巧合。巧合在哪里呢？就是在2012年，有一个国际上的比赛。在这个比赛里，把这个卷积神经网络、大数据，还有GPU的算力完全巧合地聚合在一起，产生了一种化学反应，从而催生了以深度学习为代表的人工智能的第三次浪潮。

其实在人工智能浪潮里面，自动驾驶只是其中一个部分，是未来人工智能应用中能够做的许多事情之一。除了自动驾驶以外，我们知道，今天的人工智能不仅仅是超九段的、绝顶的这个围棋高手，而且人工智能还赋能刷脸支付、无人零售、虚拟主持人、视频换脸，还有医学成像诊断、金融科技、智能制造等等。所以人工智能的应用面非常宽广。

中国是第四次工业革命的引领者之一

面对人工智能的第三次浪潮，中国赶上了这波浪潮。而且中国的人工智能还有自动驾驶都处在世界的第一梯队。比如说我们在应用场景的规模，还有多样性，以及人工智能的落地应用速度等方面，都走在了世界的前列。

除了人工智能以外，我们中国在5G、新材料、量子科学的探索上也都进入了世界先进国家的行列，而且这些领域其实正在催生第四次工业革命。

我们知道，第一次工业革命，发生在18世纪60年代。1804年，英国的蒸汽机车第一次问世。77年以后中国才有了自己的蒸汽机车。在19世纪60年代的中后期，出现了以电力技术及其广泛应用为标志的第二次工业革命。20世纪在40年代到50年代，出现了以计算机及信息技术为代表的第三次工业革命。

这三次工业革命，我们中国当时都没有参与其萌芽与发展阶段。因为当时中国或者是积贫积弱，或者是我们还在战乱中，或者是处于战乱以后的建设恢复时期。

面对第四次工业革命，我们可以说，我们现在已经是引领者之一。

为了中华民族可以为人类文明做出更大的贡献，为了我们在技术上不再受别人的“卡脖子”压制，相信我们未来会在科学探索的道路上越走越远。为了达到这样的目标，需要我们大家共同努力。

美好生活

天气预报到底准不准？

整理/记者 王雪莹

朱定真

中国气象局公共气象服务中心气象服务首席

“气象事业为生命安全、为生产发展、为生活富裕、为生态良好服务。”

天气预报到底准不准，这是一个公众特别关注的问题。很多百姓认为，国家也投入了许多、有那么多的科学家在研究天气，我们肯定应该把天气都掌握了，肯定能100%地做出准确的预报。事实上，天气是一个非常复杂的过程，所以从科学上讲，现在是做不到100%的。我今天就想跟大家讲一讲这是为什么？借此也让大家能够更了解我们的气象工作者，他们的科学精神、科学思维和科学方法。

气象预报到底准不准？

天气预报整个流程至少要经过五道工序、四个岗位，首先就是观测，它需要测报员或者观测员观测，然后将这些信息变成报文。在过去，我们要靠电报来发报、收报，所以那时候我们需要报务员，他们收到报以后再把它变成电码填到天气图上，这块又有填图员，填图员把它填到我们所说的天气图上以后，才有我们预报员去综合判断。所以，我们每一次天气预报不是随随便便做出来的，预报的准确性、对系统的判断对不对，最重要的是来自于基础的观测数据。

在过去的人工观测阶段，我们要求整点，只有这样，这个时候观测的数据才代表全球那个时刻的真正的天气。如果你不小心错开了一个时段，那么天气已经移动了或者改变了，而且观测的既不能早也不能晚——早了数据无效，晚了这个数据就失去了。在整个预报流程中，数据对我们的填图和整个系统的分析非常重要，更有甚者，曾经有测报员为了保护数据不丢失、为了准时观测数据而牺牲了性命。

过去我们需要手绘天气图，但现在我们能做到无纸化了。如今，中国整个气象卫星的体系已经是世界一流了，我们有7颗在轨卫星，且从今年4月1日开始我们的观测站已经全部实现了自动化，观测频率比过去增加了四到八倍、数据量翻了十倍。

换而言之，在过去我们需要用十几个小时前的数据，在现在，我们需要用几个小时前的资料去预测未来的天气，这导致预测的误差必然是存在的，是没有办法避免的。

做天气预报到底有多难？

这些年由于技术升级，我们能随时通过手机、电脑来查看专业的数据，天气预报的能力也在大幅提高。即便这样，大家还会质疑天气预报的准确性，譬如今年8月的北京降水。根据气象图可以明显地看到，我们当时的预报非常准，雨量落区甚至于发生时间都报得非常准，但为什么老百姓还会有意见呢？归根结底，问题还是出现在预报和预报服务的时间差上。

我们都知道，气象预报的目的是防灾减灾，趋利避害。那么当我们意识到会有一次强降水的时候，最先要考虑的就是如何防范它。毕竟，降水出现了再通知去山区的人、在山区的人撤离，那肯定是来不及了，只有提前就要求他不要进山区，那么才能真正防范雷电、山洪、暴雨对人生命安全的影响。同样，城里面也会出现内涝，我们知道在北京上下班，很多人路上就要花一两个小时，那么你只有提前给他们留出通勤的余量，才能保障人在上下班的路上真正安全。

从安全角度来看，提早采取措施我个人认为这是合理的，这是一种科学的态度，我们需要这样做。但是如何平衡好、如何才能达到最好的效果，也就是精准服务的问题，还需要全社会多方的磨合和积累。经过北京这一次降雨，其实也能让老百姓更清楚地了解气象部门，了解我们天气预报为什么会这样做，了解政府为什么会配合天气预报这样防范，那么以后再发生类似天气，大家就能用更科学的态度去对待、能更好地配合，对我们防灾减灾显然是有益的。

其实从我自身的经验来说，做气象预测是压力特别大的职业，但是换位思考这种压力也是对我们的鞭策。

现在的气象预测精准度能达到多少？

说一千道一万，天气预报发展到现在的确还不能做到100%准确，但86%是能做到的。实际上，86%已经是一个很高的评分标准了。为什么做不到100%呢？我们就要说说天气预报背后还藏着多少难度了。

我们知道，所谓的气候其实是一个大背景，天气又是在气候这个背景下发生的，水圈、岩石圈、生物圈、冰雪圈、大气圈，五大圈层交互影响共同形成了特有的气候，再加上变化多端的大气环流的变化，可以说这个过程特别复杂。也正因如此，所有国家都拿出自己最快最大的计算机用来算气象问题，就是因为它涉及的信息量太大了、影响因素太多了，不用最快最大的计算机根本不够处理，你必须尽可能多地考虑各种因素的影响才能报准。

除了观测手段、综合处理数据的能力和快速计算能力要提高以外，我们还要重新认识一下对天气的理解。以今年6月份梅雨期间的一次暴雨为例，这种在气象图上一个一个凸起的对流云团，我们叫它中小尺度的对流云团。这种气象是预报上最难报的，它属于特别典型的突发天气。想要预测它，这就相当于我们在家煮牛奶或者煮麦片，当要煮开的时候，大家都知道要冒泡了，可是你们谁能猜出来第一个泡在哪儿、第二个泡在哪儿？放到预报里，它降低就是局地对流，它是不确定性的、突发的、短时间发生的，波及的范围尺度也很小。我们对于这种强对流天气，只能说清楚它在什么样的天气背景下会出现，但你一定要我说几点几分什么地方会出现，那是很有难度的。

此外就是对于更长期的预报，比如对七天以上、十天以上甚至于一个月两个月的天气预测。在这个过程中，干扰因素太多，它的准确率也必然会下降，正因此，“一短一长”现在依然是我们气象预测的难点。现在，气象监测可以提前差不多半个小时把这种强对流天气、大致的落区强度报出来，这也是因为我们的监测水平上来了，但是真正的预报能力还没有达到公众所需要的这个水平，所以大家有种“天气预报还不准啊”的印象也是自然的。

应该如何科学地认识气象预测？

尽管预测天气依然有发展提升的空间，但伴随着其他科学的发展，其任何一次进展都有可能帮助我们提高预报准确率。实际上，今天已经有很多专家提到了比如说量子、北斗，那么量子计算、北斗的观测，包括将来人工智能的分析判别，一定会对我们的预报产生作用——有更多更及时的数据供我们参考、有计算能力更强大的电脑让我们分析数据的（速度）变得更快。

也就是说，如果这项技术能对整个气象预报的准确率有所帮助的话，那么在未来，所有气象人一定都会时刻跟踪它、抓紧引进应用它，通过利用这些新的技术造福我们每个老百姓。

在气象学里，我们这几年经常会谈“无缝隙的智慧预报系统”。它是什么呢？其实就是指我们将在整个预报、生产、服务的全过程中，在每一个环节都尽可能地实现自动化、高频率和精细化，并且在最后，通过大数据甚至社会行为分析，自动分发给不同的用户，让你在不知不觉中得到天气服务，最终实现一个全智慧性的气象服务。

有人问我，对气象预测的未来有什么想法，或者对2021年有哪些期待。我觉得首先也是最重要的，那就是我们气象人必须继续秉承我们的科学精神，去做好气象服务。但与此同时，我们也希望公众能够用更科学的态度来看待我们的气象服务、来支持我们的气象事业，在我们共同的努力下，让气象为生命安全、生产发展、生活富裕、生态良好做出更精彩的服务。

星辰大海

北斗，每一颗星都闪亮

整理/记者 廖迈伦

徐颖

中国科学院

空天信息创新研究院研究员、

北斗导航系统科学家

“所有的大国，要想主权独立，都必须把卫星导航这把‘金钥匙’握在自己手中。”

我们都说2020年是中国航天年，因为在这一年当中，中国航天迈出了很多坚实的步伐。其中特别引人注目的当然也有北斗系统的收官之战。从1983年陈芳允院士提出双星定位的思想开始，到2020年北斗三号最后一颗卫星发射，北斗系统已经完成了它自己的建设，也在我们的生活当中获得了很多的应用。

“北斗”只受制于想象力

比如说，大家都会用手机打车，我们在打车的时候确定自己和师傅之间的位置，其实就会用到北斗系统来为我们进行服务。在交通行业里，除了打车之外，在渔船航运当中也能够给出海的渔民提供一个发短信报平安的方式，如果遇上危险，还可以及时向海警求救。

另外，应用非常广泛，但是大家可能不太了解的一个领域是气象领域。北斗系统因为它的卫星信号来自于距离我们两万公里、三万公里这样的一个高度，卫星在传输到地面的时候会经过大气层，从而会让信号发生一些变化，对信号的变化进行反演，我们就可以进行一些精准的天气预报了。

业内有这样的一句话：卫星导航定位系统的应用只受制于人们的想象力。我们当然也期待着随着北斗系统的建成，北斗系统在新的一年当中，能够在它的应用和推广方面更加大放异彩，真正让每一个中国人都用上中国自己的北斗。

中华民族的“导航星”

那我们回到“北斗”这个名字上面来，“北斗”这个名字来自于哪儿呢？其实，“北斗”这个名字，来自于北斗七星，是中华民族的指极星，也是中华民族的导航星。早在《史记?天官书》当中就有记载，“分阴阳，建四时，均五行，移节度，定诸纪，皆系于斗”。这里的斗指的就是北斗，也是我们国家的卫星导航定位系统叫做北斗这个名字的由来。

其实我们国家有很多的大工程系列的名字，都是来自于我们国家的古典文化，比如说刚刚回来的探月系统叫做“嫦娥”，月球的着陆车叫做“玉兔”，深潜系统叫做“蛟龙”，量子卫星叫做“墨子号”，还有暗物质探测卫星叫做“悟空”。这些都是来自于中国传统的古典文化。我们在这里看到了传统和现代的结合，也看到了科学和文化的碰撞。

“卫星导航”必须握在自己手中

北斗系统是全世界第三个建成的卫星导航定位系统。世界卫星导航有四个系统，可以被叫做全球定位系统，能够实现全球覆盖：它们分别是美国的GPS，欧盟的伽利略，中国的北斗和俄罗斯的GLONASS。其中，在北斗建成之前，最被大家所熟知的就是美国的GPS系统了。

GPS系统大约建成时间是在1994年，但是它被世人所熟知，其实是在1991年的海湾战争。当时伊拉克号称是世界第三大军事强国，但是被以美国为首的多国部队，大概用了四十多天的时间打到没有还手之力。在这场战争中，发挥出了巨大作用的就是当时尚未完全建成、但是已经展现了它在军事和国防方面的巨大作用的GPS系统。这场战争，不仅奠定了美国的霸主地位，也对未来的战争以信息战为主体，信息战当中，以制空权为核心的一种战争体系和战争思想进行了奠定。它所带来的影响被叫做“新军事革命”，一直延续至今。

在这场战争之后，全世界都看到了“养在深闺人未识，一朝名动天下知”的卫星导航定位系统，而世界上所有的超级大国，也都意识到了想要国家主权独立，必须把卫星导航这把“金钥匙”握在自己手中。所以全世界的超级大国都开始构建自己的“卫导系统”，当然也包括我国。

“北斗”建设三步走

北斗系统是在1983年的时候，由两弹一星的元勋陈芳允院士提出双星定位的思想开始构建的，但是北斗系统的建设并不是一蹴而就的。

北斗系统的建设我们可以把它归纳为三步走：第一步是在2000年左右建成的“北斗一号”系统，也叫做“北斗双星”系统，它主要解决了我国卫星导航定位的有无问题；2012年建成的“北斗二号”系统，也叫做“北斗区域”系统，它主要是把“北斗一号”系统当中的有源定位的方式，变成了无源定位的方式。无源定位的方式，能够更好地解决有可能暴露用户位置这个风险，以及解决用户容量受限的这样一个问题，“北斗二号”系统真正为我国和周边亚太地区提供了准确的导航定位和授时的服务；今年收官的系统叫做“北斗三号”系统，也叫做“北斗全球系统”，“北斗三号”系统主要是把一个区域系统变成了全球系统，在此基础上也开发出了很多新的技术，比如星间链路系统、高精度的氢原子钟系统等等，所以“北斗三号”系统真正实现了不仅是中国的北斗，也是世界的北斗。

“三球定位”

那么北斗系统是通过什么来实现导航定位和授时服务的呢？它的基本原理叫做“三球定位”。“三球定位”就是指我们首先测量用户和卫星之间的距离，那么就可以知道，用户一定在以卫星为球心，以这个距离为半径的一个球体上。之后继续测量和卫星二、卫星三之间的距离，而这三个球它会交汇在一个点上，这个点就是用户的位置。这就是全世界所有卫星导航定位系统的基本原理，都是“三球定位”的原理。

那么我们想要实现“三球定位”，其中有一个非常核心的关键点是，需要测量我和卫星之间的距离。这个怎么能做到呢？我不可能在我和卫星之间去拿一条皮尺测量，所以这就是所有卫星导航的小秘密，那就是我们把测量距离变成了测量时间。通过测量我和卫星之间的精准的时间，再乘上光速，就可以得到这样的一个距离了。

所以，卫星导航当中有一个非常核心的关键技术，叫做星载原子钟的技术。如今，北斗系统导航定位的精度已经能够做到米级、厘米级，甚至是毫米级了，再往下推算，我们就可以知道我们的星载原子钟的精度要求是非常高的。

100%的国产化

在北斗二号建设之前，我国其实是不具备研制星载原子钟的能力的。在那之前，我们国家的星载原子钟其实主要是靠进口。但是，怎么才能够获取这样的一个原子钟，多少钱才能购买它，以及购买的流程是什么样子的，都没有一个明确的说法。这时候，北斗的科学家意识到核心的关键技术永远求不来也要不来，一定只能够靠自己。所以开始进行了星载原子钟的研发，经过了两到三年的攻关技术，成功实现了星载原子钟技术的突破，从而为北斗二号系统的顺利建设和推广提供了有效的基础。

现在，包括星载原子钟这样的核心器件在内，“北斗三号”已经实现了100%的国产化，像氢钟、铯钟、铷钟、钙钟、冷原子钟等等都已经做得非常成熟，而且做得非常广泛。所以，这就是我们经常说的国家的重大科研项目的需求引领了我们国家的基础技术的突破。

其实北斗系统还有一个隐藏的能力。大家可能都知道北斗系统可以用来做导航、可以用来做定位，但是可能还不太了解它有一个非常重要的功能是授时，也就是我们说的时间同步。它既然有这么高精度的一个时钟，同样的它也可以给其它的系统做一个精准的时间同步，比如说在我们国家的电力系统，在我们国家的金融系统，包括在我们国家的通信系统当中，这些关系着国计民生的行业当中，其实都有北斗系统在为它们提供精准的时间服务。

2021年，北斗系统将在它的应用和推广上取得更大的突破，让我们一起期待，一起努力。

星辰大海

从月球到火星，奔向星辰大海

整理/记者 李鹏

郑永春

中国科学院国家天文台研究员

“中国探月工程‘绕、落、回’三步走圆满收官，‘探、登、驻’已在路上。月球是人类走向深空的前哨基地和中转站。”

2020年12月19日，中国国家航天局向中国科学院移交了“嫦娥五号”从月球上采集回来的1731克的月球土壤和岩石样品，它将永远安家在中国科学院国家天文台。国家天文台建设了月球样品的实验室，来保存分配这些月球土壤和岩石，并组织科学家开展科学研究。从月球土壤中，得到关于月球和太阳系演化的科学信息。

半个世纪后，月壤再临地球

有人会说，1731克月球土壤是不是少了一点？美国已经采了两三百千克的月球土壤。但是大家不要忘了，对于月球样品来讲，重量不是问题，因为现在的高精尖分析仪器，不用说1731克，170克样品就已经可以满足所有的分析需求了。我们更希望的是从月球上的不同地区，来采集多样化的月球土壤，那里面还有更丰富的信息。

上一次的月球采样，已经是半个世纪以前了。也就是说这半个世纪以来，中国人是第一次把月球土壤接回地球。在上世纪六七十年代，阿波罗登月有12名航天员登陆了月球，采回了月壤，其中送给中国的科学家1克月壤，这1克月壤，在以欧阳自远院士为代表的中国科学家的领导下，进行了集中研究，发表了很多学术论文，得到了很多关于月球的认识，也奠定了中国探月工程的基础。所以科技的大厦不是一天建成的，而是要长期地积累。

模拟月壤

中国的探月工程，在上世纪的六七十年代开始起步，然后逐渐积累。到现在，我们有了自己新的任务。我想先跟大家来分享一下我的科研经历。

2004年中国的探月工程立项，到2007年中国发射了“嫦娥一号”卫星，到2010年中国发射了“嫦娥二号”卫星，2013年中国的“嫦娥三号”和“玉兔号”月球车就着陆在了月球正面雨海的虹湾地区。上一次有月球车登陆也是半个世纪以前了，到了2019年的1月份，中国的“玉兔二号”月球车和“嫦娥四号”着陆器，代表人类第一次登陆到月球背面，这是人类历史的第一次，这是中国人开创的。所以我想这是值得我们每一个中国人自豪和骄傲的。

中国的探月工程用了16年的时间，完成了“绕、落、回”三个阶段，完成了探月工程的圆满收官。大家现在都会觉得，研究月球是多么高大上、多么光荣的一件事情，但在20年前，也就是我刚刚读研究生时，我们国家研究月球的人屈指可数，应该一只手就可以数过来，我正是在那个时候开始了月球研究。那个时候很多人会觉得，研究月球的到哪里去找工作呢？我们都在地球上。但现在用不了多久，我们过去觉得很奇怪的一些事情，现在都变得很正常了。那个时候，我们研究的时候，第一没有样品，第二没有数据，第三没有观测的仪器设备，那我要做论文怎么办呢？所以就进行了大量调研，先站在前人的肩膀上，看看我们应该做什么。

经过大量的调研之后，发现了有一件事情是我可以做的，也就是模拟月球的土壤，这正好跟我大学学的还比较接近，因为我读大学是在西南农业大学，我们研究地球土壤。现在从地球上到了月球上，还是土壤。那我们怎么样才能模拟月球土壤呢？

首先，阿波罗登月和苏联无人采样采回来的月球土壤，其数据、成分都是公布的。那么，地球上又有哪些地方的岩石矿物或者土壤，跟月球上的岩石矿物和土壤是相似的呢？为此，我们调研了中国东、南、西、北、中，各个地区的岩石矿物和土壤。最后我们发现，在吉林省长白山地区，有一种火山渣，它的成分跟月球上“阿波罗十四”登月点采来的一种土壤成分相近，我们以这个物质作为初始物质，经过加工，然后经过广泛的测试对比，把它研制成了中国的第一个模拟月壤。

研究月壤，才能更好研究月球

那么月球土壤到底跟地球土壤有什么不同呢？首先，地球上的土壤都在风霜雨雪的风化下，经历了物理风化、化学风化、生物风化等过程，才形成了地球的土壤。月球的土壤显然第一没有水，第二没有空气，第三没有生物，所以它跟地球的土壤是很不相同的，这也是我们现在保存月球土壤的一个首要因素：要隔绝地球的大气、地球的水，一旦跟大气和水接触，月球土壤马上就会发生各种各样的化学变化，那么相当于受污染了。

月球土壤，实际上是月球表面的岩石经过小行星的撞击，经过宇宙射线的太空风化，经历了几十亿年的长期演化才逐渐形成的，相当于整个月球表面都覆盖着一层月壤。我们将来要利用月球资源，其实利用的也是月壤，我们用遥感卫星得到的所有数据，其实就是月壤发给我们的信息。

所以必须要研究月壤，我们才能更好地研究月球。我们做出的模拟月壤，粉尘非常细，它的颗粒是几十微米，同时很有棱角性，它非常尖锐，因为它没有经历像地球土壤这样的磨损过程，它纯粹是小行星撞击砸出来的。

它如果掺入月球车的轮子或者机械设备，或者放在太阳能电池板上，就会干扰月球车和月球探测器的相关工作，干扰我们的探测结果。如果它进入航天员的呼吸系统，就会对航天员的健康造成损害。所以我们必须要深刻地理解月球的土壤和月层，我们才能更安全地在月球上进行驻留。

同时，我们模拟的月球土壤，不是只要颜色像、看起来好就可以了，而是要真的让它跟月球的土壤颗粒的形状、大小、分类、成分等均相似。然后，它能够在某种程度上，模拟月球的土壤。当然我们的这种模拟仍然是有限的，因为它毕竟是在地球上形成的，所以模拟月球土壤的工作，其实也是不断地逼近真实月壤的一个工作。

月壤闻起来什么味？

有人就会问，真实的月壤已经采回来了，还要模拟月壤干什么？它还有用途吗？我想打个不是很恰当的比方，真实月壤是无价之宝，可能只有极少部分的月壤，才会被拿来进行科学研究。我们进行研究的一个原则就是，消耗的月壤越少越好，最好是不要消耗月壤，这叫做无损分析。所以有一些新的技术手段被研发出来，要被应用于月壤研究。

在用于月壤之前，我们可以用模拟月壤先进行一些测试，如果模拟月壤测试成功了，我们才能用到真正的月壤上去。第二，我们要利用月球的土壤进行原位资源的利用，3D打印提取和生产氧气和水等，这样的一些资源利用的实验，它要消耗样品，最好也用模拟月壤来代替，因为真实的月壤是极为珍贵的。

还有人提出来说“月球的土壤能不能种菜？能不能种水稻？能不能种土豆？闻起来是什么味道的”等等很多这样的问题，五花八门，说明大家对月壤都很感兴趣，但显然真实的月壤不可能来做这样的实验，所以就可以用模拟月壤来进行相关的实验。

大家可以先想一个有趣的问题，如果你打开月壤，闻起来是什么味道的呢？其实，我也不知道什么味道。因为如果你登陆月球，那要完全隔绝于月球的环境，月球上是真空，一旦航天服有漏气，生命都没法幸存。如果带回地球上，它又要完全隔绝地球的环境，因为一旦打开，它就不是月壤了。

所以，我猜想，也根据我的经验，真正吸入月壤时，它应该有一种比较刺激的感觉。因为月壤里面有很多氧化性的物质，特别是它里面还有一些叫纳米铁的物质，在月球上的还原环境下，单质的铁可以稳定存在，但是一接触氧气，它马上就会被氧化掉。这是我目前的感觉，以后我也非常期待有机会能闻到它。

“探、登、驻”已在路上

我们也知道，经过16年的努力，“绕、落、回”三步走的探月工程，已经圆满收官，但是请大家记住另外三个字：“探、登、驻”已在路上。探月阶段完成之后，必然就要进行登月和月球驻留的工作。所以，月球是人类走向深空的一个前哨基地和中转站。既然探月已经成功，那么登月和驻月也即将到来。

所以，我觉得这是一个可以持续几十年，甚至上百年的事业，大家可以在此持续地努力。

那么，今天我们在讲月球，其实大家应该还能想到，我们还有一个航天器正在飞向火星，这就是天问一号，天问一号离开地球已经几个月了。

2020年7月23日中午，我在海南文昌航天发射场，亲眼目睹了长征五号火箭携带着天问一号火星探测器飞向火星。这个火星探测器在2020年的国庆节，传回来了它在几亿公里之外的一张“自拍照”。

一片漆黑的太空中，鲜艳的五星红旗让每个中国人心潮澎湃。在2021年春暖花开之际，我们的火星车将登陆火星。这颗红色星球上，将第一次迎来来自中国的火星车，中国将在全世界也是第二个能够成功登陆火星的国家，所以我非常期待这一天。

火星像地球一样，是一颗类地行星，有北极有南极，有赤道，有东半球有西半球，有大峡谷。甚至火星上还有整个太阳系最高的山峰，叫奥林匹斯山，它的高度是珠穆朗玛峰的三倍高。火星上曾经有过大规模的液态水，到现在地底下还有冰川，还有卤水湖。火星，是整个太阳系里面跟地球环境最像的行星，也是人类从地球出发，唯一有可能实现大规模移民的星球。

虽然，现在在地球上看似一切安好，但是，如果看看地球历史的记录，我们知道地球上的生命必然会面临大灭绝的命运，我们必须居安思危，未雨绸缪。所以，未来人类将从地球出发，先到月球，再到火星。只有我们人类能够从地球到月球来去自如的时候，我们才能走向更远的火星。

创新创造

致敬好奇心

整理/记者 马雪迎

戴伟

北京化工大学教授、

英国皇家化学会北京分会主席

“孩子的好奇心是天生的，不需要培养，只需要保护。”

我叫戴伟，戴帽子的戴，伟大的伟，我的英文名字叫David G.Evans，我是英国人，但是在北京已经待了二十四年。

我为什么变成科学家？我为什么经常跟小朋友们一起做化学实验，为什么一辈子就做科学，是因为好奇心。

我小的时候就有好奇心，现在还有好奇心，所以，做科学家离不开好奇心。我十二岁开始在家里做化学实验，刚开始的时候，我买了一些设备和药品，在哪儿做实验呢？我就是在厨房做的，然后爸爸妈妈不高兴，他说我们要做饭，厨房变这么脏乱怎么行？正好家里的小花园中，我父亲有一个小棚子，他让我在那边做实验。从十二岁开始，我在家里做了很多很多化学实验，做实验提高了我对化学的兴趣。

其实，除了化学以外，我也对另外一个领域有好奇心。我对中国特别感兴趣，我喜欢化学，也喜欢中国，为什么呢？

上世纪七十年代初那时候，中国改革开放还没开始，所以在英国，我们没有关于中国的新闻，这么大的国家这么多人，但是对我来说都是神秘的，跟一个黑洞一样，没有信息。

我有好奇心，我想了解这个神秘的国家，所以我开始一边了解化学，一边了解中国。所以我两个爱好都是以好奇心为动机，都让我更了解化学，更了解中国。第一次有机会来中国是1987年，很长时间都向往，但从1987年开始，我每年来中国一两次，访问一两所大学作学术报告，然后去旅游。每次来中国，看到中国这么大的变化，都会强化我对中国的好奇心。

你听说过著名的科学家爱因斯坦吗？爱因斯坦说，提的问题比回答的问题还重要，那么，“化学”的“化”是哪个“化”呢？对，就是变化的化，所以化学家要学习什么呢？变化，有各种各样的变化，原来的物质变成新的物质，就是化学反应。所以如果以后有人问你，什么是化学反应？你可以回答他，一种物质或多种物质变成新的物质就是化学反应。

孩子都有好奇心，好奇心是天生的，所以我们作为老师，作为家长，不是培养孩子的好奇心，而是要让他们保持这个好奇心。

你不能总说“哇，很神奇”就走了，你要说“这是为什么呢”？想变成科学家，就要天天提问题，天天要想“我能不能看到，我能不能通过实验得到信息”，不能说“因为我认为，所以肯定是这样”。这个不是科学家的思维，所以要利用好奇心，培养我们的科学思维。

创新创造

创造性思维与科技创新

整理/记者 李荔

金涌

中国工程院院士，

清华大学化学工程系教授

2020年是非常神奇的一年。在这一年里，我们国家取得了非常重大的科学成果。可是未来呢？未来我们需要更多好的科学成果，需要更多的、年轻的、卓越的创新人才。那么，一个创新人才需要什么样的素质呢？

爱因斯坦这么说：我没有什么特殊的才能，我只有强烈的好奇心。诺贝尔奖获得者高锟这么说：我从小起，就愿意把什么东西都拆开，看看它是怎么回事，不是为了研究，是为了好奇。所以，对于一个卓越的科学家，要培养的素质，首先是形象思维，也就是要培养自己的观察能力。

举一个例子，有一个科学家叫科里奥利。他每次洗了澡以后，会在澡盆旁边去观察澡盆里的水，什么时候完全平静了，他会慢慢地用线把塞子拔开，水就开始往下水道里流。流的过程，慢慢地水就转起来了，每一次水都是逆时针旋转。他非常好奇，为什么这样？澡盆是静止的。牛顿告诉我们，三大定律是静者恒静、动者恒动，没有力的作用，水为什么转了呢？他久思不得其解，就以这个为课题进行了几年的研究。最后，他明白了原来澡盆不是静止的，而是随着地球一起在旋转的。在一个旋转体系里，一个流动就会产生一个跟它切向的一个力，这个力就是用他的名字命名的“科里奥利力”。这个力就推动了水的旋转，而且他的模型证明了，在北半球会是逆时针旋转，在南半球就会顺时针旋转。他立刻买了飞机票到南美洲去洗澡。确实是这样，南美洲的澡盆里的水会顺时针旋转。

大家说，这位科学家研究洗澡有什么价值啊？实际上，这是一个非常重要的原理。台风为什么都是旋转的，大洋的海水为什么都是洋流式旋转的，都是因为同样的原理。所以，由于好奇心，从澡盆里发现的这个现象，指导了气象学、海洋学的发展。

一个科学家要培养自己的创新能力，还要培养自己的想象力，要富于想象。我们都知道，地球是围着太阳转的，为什么地球围着太阳转呢？因为太阳有很大的质量，它吸引着地球围着它自己旋转。那么后来科学又发现，整个太阳系带着它所有的行星，是围着银河系中心旋转的，旋转周期是两亿一千万年转一圈。

那么，为什么太阳系会围着银河中心旋转呢？这要启发我们的想象能力了。地球围着太阳转，是因为太阳质量很大，那么，在银河系中间，应该有一个非常大质量的东西才能吸引太阳系围着它转。观察发现，银河系的中心可以看到的东西，并没有那么大。

科学家又进入了沉思，他们想象，一定还有一个我们看不见的质量、看不见的能量，在吸引着太阳系围着银河系转。那么就是银河系里会有很多的看不见的物质，叫暗物质、暗能量，启发我们在研究暗能量、暗物质。对于暗物质、暗能量的猜想，引发无限的研究的发展空间。那么，科学家第二个能力就是必须有足够的想象力。

科学家还需要有另外一个能力，这个能力就叫抽象思维能力。我们都知道，物质是由分子组成的，分子是由原子组成的，原子是由电子、质子、中微子等组成的，那它们又是什么组成的呢？

根据现在物理学界的研究，它们是由夸克组成的，几个夸克组成一个光子、一个电子、一个中微子。从大的物理实验来讲，可以证实它们都是存在的。那么，科学家又问了，夸克能不能再分？这就是新的问题了。现在，全世界绝大部分的理论物理学家认为，夸克还可以再分。夸克如果再分，组成夸克的叫什么呢？叫超弦。

超弦就像一个猴皮筋一样，它在十维空间里震荡，然后几个超弦组成了夸克。我们都知道，X、Y、Z组成三维空间，再加上一个时间，只有“四维”。那么其他的“六维”在哪？科学家说，我们是看不见的，它隐藏在非常小的致密空间里面。那么既然看不见，为什么绝大部分科学家承认且相信它呢？这就是数学的贡献了，也就是抽象思维。

我们从小学就开始学数学，一直学到博士毕业还在学数学，难道是为了算账吗？不是。数学培养我们抽象思维的能力。

学好数学，就是学会在脑子里做实验。能够通过数学抽象的思维，遇见重大的科学发现。

希望我们年轻一代科学家，在培养自己创新能力、创新思维的过程中，能够逐渐地做出自己在科学进步方面的贡献。

“首都科学讲堂特别节目-2021科学跨年夜”

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