來源：科學探索獎

2021年8月1日，首屆“青年科學家50²論壇”發佈“十大科學技術問題”。 “十大科學技術問題”由“科學探索獎”的100位獲獎人提出，並投票產生，體現中國最傑出青年科學家們最前沿的科學探索和他們對未來科學技術趨勢的判斷。

十大科學技術問題

一。人類的意識，以及學習和記憶的生物基礎從何而來？

解讀人：李毓龍（北京大學生命科學學院教授，2019年“科學探索獎”生命科學領域獲獎人）

第二次工業革命之前，研究意識爲何物一直是哲學家的“特權”；近一百年來，技術革命推動生命科學的蓬勃發展，生物學家也開始參與到這個問題的解答當中。目前研究表明，意識的產生以及學習記憶能力的發展主要依賴於我們的大腦。人類大腦中有數百億的神經元，神經元之間會形成複雜的網絡連接：神經網絡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夠重塑網絡的連接方式——發生學習和記憶。基於電學、光學或化學等單一學科的技術路徑已經不足以解析大腦這一複雜系統的結構和功能。想要進一步理解大腦的工作原理，人類需要在技能樹上點亮一系列學科深度交叉的新技術：包括神經網絡空間結構解析技術、大規模神經活動記錄和分析技術，以及精準的神經操控技術。第四次工業革命產生的新技術將推動人類對腦科學的認知更上一步臺階，自然科學與哲學將更快在“山頂”相會。

二。人腦和機器是否能實現直接通訊？

解讀人：楊玉超（北京大學人工智能研究院研究員、2019年“科學探索獎”信息電子領域獲獎人）

根據世界衛生組織報告，截止目前全球殘疾人數量已超過10億，僅中國就有超過8500萬，這樣一個龐大羣體的生存質量亟待改善。對於具有肢體殘疾和感知障礙的人羣來說，實現人腦和機器的直接通訊可以部分甚至完全恢復其運動和感知功能，極大地便利其生活，是一個關係億萬人福祉、具有重要現實意義的問題。腦機接口技術是實現人腦和機器直接通信的橋樑，通過腦機接口可以直接提取神經信號，完成對人的行爲意向的分析，並藉助光、電、磁、聲等調控技術反向干預人腦行爲，主要依靠包括高通量多位點腦信息獲取、在線神經信號解碼、腦機融合智能設備、腦幹預技術等關鍵技術來實現。當前腦機接口技術已經實現高速意念打字、人腦控制機械手快速抓取等任務，但離人腦和機器直接通訊還有相當大的距離。精準、小型化、高度集成化、生物兼容性強的腦機接口是未來的發展方向，以實現腦機深度融合，達到高精度的行爲意向抽取及神經行爲干預，並進一步與類腦計算、人工智能等技術結合實現腦機混合智能。

三。通用人工智能是否能實現？

解讀人：山世光（中國科學院計算技術研究所研究員、2019年“科學探索獎”信息電子領域獲獎人）

人類一直以萬物之靈自居，但計算機誕生後，人類的基礎計算能力和機械記憶能力卻被機器碾壓式超越。65年前，人工智能（AI）作爲一門學科誕生，其先驅們曾經樂觀地相信不用20年即可實現人類水平的智能，現實卻是殘酷的，AI科學家們越來越清晰地認識到實現通用人工智能（AGI）是一項巨大的科學挑戰，人工智能研究的兩次“寒冬”讓更多的研究者徹底失去了實現AGI的信心。但最近十年來，深度學習的復興，特別是最近BERT/GPT-3等具備超強語言能力的預訓練大模型的誕生，再次燃起了AI專家心中的理想火焰。實現AGI的核心是賦予算法機器類人的、求解新問題的能力，其挑戰在於：機器如何更高效的獲取經驗數據並從中學習，實現“舉一反三”、小樣本歸納並演繹、“喫一塹長一智”乃至“無師自通”等能力？機器如何高效獲取、緊湊表示和充分利用人類知識（特別是常識）？如何實現機器學習所得“機器知識”與“人類知識”的融會貫通和相互轉換？求解之路仍然迷霧重重，甚至連初見端倪的預訓練大模型是否是正確的起點亦不得而知，AI科學家們只能在迷霧中上下求索。

四。如何延緩衰老，促進機體修復，提高人類壽命？

解讀人：劉穎（北京大學未來技術學院教授 、2019年“科學探索獎”生命科學領域獲獎人）

隨着人口老齡化的加劇，衰老及相關疾病正在帶來巨大的社會和經濟負擔，大力推進衰老領域的研究刻不容緩。1939年，研究人員發現限制熱量攝入可延長大鼠的壽命，首次證明衰老可以被人爲干預。1988年，利用秀麗隱杆線蟲進行的遺傳學研究實現了另一突破。研究人員發現一個名爲age-1的基因的突變可以將線蟲的壽命增加40-60%，證明了對單一基因的干預就能影響和決定生物體的壽命，這些讓人們確信能找到決定衰老速度和壽命長短的“法寶”。隨後，秀麗隱杆線蟲和釀酒酵母的遺傳學研究揭示了更多影響壽命的關鍵基因，囊括了當今衰老領域內的“明星通路”：胰島素樣信號途徑，雷帕黴素受體蛋白，Sirtuin和NAD+，線粒體與氧化應激，端粒功能和蛋白質穩態等，當今大多數正在進行臨牀實驗的衰老相關藥物也與這些關鍵基因相關。未來我們需要更多的工作來整合多條衰老相關遺傳通路，以加深對衰老生物學基礎的理解。除此之外，在尊重生物倫理的基礎上，要推進直接靶向衰老通路的臨牀試驗。這些方向的研究有望使我們延緩甚至逆轉衰老。

五。如何實現量子計算實用化？

解讀人：陸朝陽（中國科技大學量子物理與量子信息研究部教授、2019年“科學探索獎”前沿交叉領域獲獎人）

在數據暴增的時代，如何滿足人類對算力貪得無厭的需求？通過對單原子、單光子等微觀粒子進行精確的人工操縱，量子力學原理提供了一種全新的方式對信息進行編碼、存儲、傳輸和調製，在增大信息傳輸容量、提高運算速度和確保信息安全等方面能夠突破經典信息技術的瓶頸。量子計算是目前人類唯一被嚴格證明具有解決經典計算機無法求解的問題的潛力的新方法。然而，真正的應用還有諸多挑戰，其中之一就是如何把真實重大應用映射到量子計算系統中。量子模擬和計算的能力隨可操縱的量子比特數呈指數增長，因此如何有效擴展量子比特的規模和高保真的邏輯操作是核心任務。由於量子比特不可避免地會受到環境噪聲的影響而出錯，要最終實現可編程的通用量子計算機，通過量子糾錯來保證整個系統的正確運行是必然要求，也是較長時期內面臨的主要挑戰。在量子比特系統的邏輯操縱精度到達可容錯量子計算的要求之前，作爲階段性應用，可以構建針對特定問題的專用量子模擬機，則有望揭示凝聚態物理中若干複雜體系的機制。此外，量子模擬和計算面臨的一個重大理論問題是，由於量子計算和模擬解決的是經典計算機無法解決的計算難題，如何驗證計算或模擬結果的正確性？

六。清潔能源、環境保護、氣候變化的協同機制如何建立？

解讀人：王書肖（清華大學環境學院教授、2019年“科學探索獎”能源環保領域獲獎人）

當前世界面臨能源資源匱乏、全球氣候變化、生態環境惡化等一系列重大挑戰，原因之一就是人類對化石能源的大量消耗和嚴重依賴。目前全球化石能源佔一次能源消費比重超過80%。化石能源燃燒產生的二氧化碳佔溫室氣體總排放的70%以上，是造成全球氣候變化的主要原因；同時，化石能源生產和使用過程產生大量的二氧化硫、二氧化氮、一氧化碳、揮發性有機物、顆粒物等大氣污染物，導致大氣環境惡化，每年造成全球數百萬例早逝。探索能源環境氣候協同治理機制，提出氣候友好的清潔能源和環境保護協同路徑，對於實現全球可持續發展目標具有重要意義。構建能源、環境和氣候變化三者協同的機制，需要圍繞清潔能源技術、節能提效減污降碳技術、能源環境系統集成耦合與優化技術、氣候治理與環境污染協同應對路徑、零碳/負碳能源技術及系統的綜合評價、促進能源轉型的碳市場機制等開展研究。其中，可再生能源發電、儲能技術、多污染物協同減排技術、能源環境綜合評估模型、碳市場機制等最有可能取得突破。

七。 暗能量和暗物質的本質是什麼？

解讀人：施勇（南京大學天文與空間科學學院教授、2019年“科學探索獎”天文和地學領域獲獎人）

量子力學和廣義相對論是20世紀物理學兩大輝煌的成就，奠定了現代科技的基礎。暗能量和暗物質的出現卻直接證明了當前的粒子理論和引力理論是不正確的或者不全面的，我們賴以發展科技的“基礎”，還存在被優化的空間。暗能量是指未知的“斥力”來加速宇宙的膨脹，暗物質是指未知的物質來產生額外的引力，按照目前的觀測推算，這兩者分別約佔宇宙總能量的70%和25%，而由質子、中子和電子組成的正常物質只佔5%。未來，地面和空間的各類大型科學基礎設施將通過多種手段來探索暗能量和暗物質。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象；暗物質方面，將通過其湮滅或衰變現象、與正常物質的碰撞現象、以及其在宇宙空間的密度分佈等方法來探索其本質。多種探測手段的結合和互補是我們真正理解暗物質和暗能量的關鍵。

八。人類如何在地外行星（如火星）上居住一年以上？

解讀人：魏勇（中國科學院地球與行星物理重點實驗室主任、2020年“科學探索獎”天文和地學領域獲獎人）

走出地球是人類永恆的夢想，深空探測是科技競爭的制高點。美國和中國掌握了火星軟着陸技術，承載着人類登陸火星的夢想，將賦予人類進化和人與自然關係新內涵。人類火星往返包括一年的太空旅行和一年半的火星生活。火星往返提出三大挑戰：地火往返技術、生命保障系統、生理心理干預。太空旅行擁有載人登月的寶貴經驗做基礎，火星生活則是一個從零開始的全新工程。實現宇航員在火星居住一年以上，是對人類航天、能源、通信、電子、醫學、生物科技等各方面科技水平的全面檢驗，由此產生的新的理論突破和發明創造將顯著改變人們的生活方式，甚至引發新一輪歷史性的科技革命。該項目的規模和複雜程度爲人類歷史之最，對管理學等社會科學的發展同樣會產生深遠影響。國際合作是實現這一目標的最優方式，世界科技合作與競爭也有可能圍繞這一問題，產生新局面和新態勢。

九。 如何“求教”大自然，開發高度集成、智能、可修復的仿生系統？

解讀人：王鑽開（香港城市大學機械工程系講座教授，工學院副院長、2020年“科學探索獎”先進製造領域獲獎人）

科技迅猛發展使得人類入太空潛深海，似乎“無所不能”。但一個最基本的科學事實卻是，即便神舟十二號上精巧的“天和”機械臂，其系統的集成度、智能化、以及自我修復功能也遠遠低於生物系統。在集成度方面，生物體系可以利用簡單有限的生物材料，高效製備和自組裝形成複雜的生物個體，科學家雖然能製造複雜的化學和物理單元，然而讓這些單元自發裝配成爲複雜高度集成的個體結構，仍是夢想；在智能化方面，生物體系可以融合個體感知、思考和控制反饋，衍生出羣體溝通、競爭和合作，相比而言，仿生智能軟硬件卻只能實現其中的“冰山一角”；在修復方面，小到壁虎斷尾再生，大到生態系統的有機統一、低能耗和動態平衡，生物體系擁有非凡的修復本領，仿生系統的可修復探索還僅僅停留在分子層面的自癒合。仿生系統的構建，涉及到方方面面：從材料、製造到組裝，從單元、個體到集羣。從理解自然界材料合成、組裝及演變的共性機理，爲仿生體系研發提供理論支撐；到構建仿生智能表界面，有效調控仿生系統與外界環境的交互；再到開發規模化綠色製造技術，構建跨尺度、多功能協同的仿生系統；乃至發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”。

十。太陽能發電的規模化高效應用如何突破？

解讀人：周歡萍（北京大學材料科學與工程系特聘研究員、2019年“科學探索獎”能源環保領域獲獎人）

地球上一切能源來自於太陽能，地球每年消耗的全部能量，僅相當於太陽“給予”地球能量的一萬分之一，太陽能利用還大有可爲。有效利用太陽能既能逐步滿足人類的能源需求，作爲最重要的清潔能源之一，太陽能的高效利用也有助於減少環境污染和應對氣候變化。光伏技術是實現太陽能直接向電能轉化的最有效途徑，是解決人類能源危機、環境污染的重要手段。如何通過技術手段使太陽能發電規模化高效利用，也就因此成爲重大科學問題。針對太陽能發電的規模化高效應用，目前科學家主要圍繞材料體系、製備工藝，器件結構及工作原理展開工作。從目前的研究來看，在光-電轉換基本過程與新原理；高效、穩定光電轉換材料的理性設計；低成本、高通量的可控制備方法；光電材料與器件中的結構和表界面設計與調控等方向上，最有可能獲得突破。