11月19日-20日,2021未来科学大奖周科学峰会成功举办。由于疫情原因,本次活动采取线上为主、线下为辅的形式进行。科学峰会期间,我们特别邀请到来自斯坦福大学、北京大学、清华大学、中国科学技术大学、哈佛大学、耶鲁大学、普林斯顿大学、复旦大学、芝加哥大学、麻省理工学院、加州大学圣地亚哥分校、加州理工学院、斯德哥尔摩大学、滑铁卢大学、丰田工业大学、美国科罗拉多大学、西湖大学、山西大学、浙江大学、南京大学、北京航空航天大学、芝加哥丰田计算技术研究所、中国科学院、国家天文台、元禾璞华、华大九天等顶尖科研院所与产业龙头,数十位全球顶级科学家及专家学者,分别围绕生命科学、物理、化学、天文、数学、计算机6大领域,聚焦干细胞与再生医学、RNA生物学、功能性脑成像与干预、量子的人工调控、量子材料、化学与材料、有机合成分子、宇宙起源、宜居星球、深空探测、代数几何、数论、几何拓扑、人工智能与生命科学、芯片等全球挑战性科学议题,分享及探讨前沿学术成果。今天分享的是科学峰会里“物理”“化学”“天文”三大领域专场的相关内容。

探索物质奥秘  追寻科学本质

在【物理】量子的人工调控专场中,未来科学大奖周Steering Committee委员、未来论坛理事、中国科学院物理研究所研究员、北京海创产业技术研究院院长丁洪对演讲嘉宾进行了介绍:叶军教授主要从事超冷原子分子、精密测量、多体量子物理、激光技术等领域研究,特别是因在光学晶格钟的发明与在改进过程中做出杰出贡献;杜江峰教授主要从事量子物理应用的实验研究,在量子精密测量领域取得了原创性的成果;张靖教授主要从事连续变量、量子信息、超冷原子物理方面的研究,近年来他围绕超冷原子和方向完成了系列具有国际影响力的研究工作,三位杰出科学家们将向我们呈现量子人工调控的新视野。”

本次活动中,未来科学大奖科学委员会委员、美国科罗拉多大学教授、美国科学院院士、中国科学院外籍院士叶军,以《光 — — 物质控制的新视野》为题,为我们介绍了精彩的量子世界。几个世纪以来,对光与物质相互作用的日益精确的控制推动了科学技术的突破。最近,量子和激光技术的创新为基础性发现提供了新的机遇。我们现在可以制作超快“电影”来探索稍纵即逝的动力学过程,更精密地检验基本定律来寻找新的物理,探索量子复杂性以将其运用,并创造新工具以造福现代社会。

中国科学技术大学教授、中国科学院院士杜江峰,在《单自旋量子调控及前沿应用》的学术报告中,介绍了实验室在单自旋量子调控方法技术、芯片制备和仪器装备研制等,以及在将单自旋量子调控应用于基础物理、生命科学和信息科学所取得的前沿研究进展。他表示:“电荷与自旋构成了现代科学技术重要的物理技术之一,通过自旋量子调控,可以实现在二维、一维甚至微观尺度上对磁场的分布,磁效应,催化靶点,催化反应进行干预。而在非厄米量子力学研究领域,2019年,团队首次通过引入调控,观察到宇称时间对称。该技术是通过引入一个辅助比特使得目标体系作为一个厄米系统的子系统可以服从非厄米哈密顿量所支配的演化规律,并且只需要消耗一个辅助比特就可以实现任意维度的并且含时变化的非厄米哈密顿量。”

山西大学教授、量子光学与光量子器件国家重点实验室主任张靖,在《双层扭转光晶格中的原子玻色爱因斯坦凝聚》中介绍了超冷原子量子模拟所涉及的应用物理学研究进展。他表示:“当原子达到玻色爱因斯坦凝聚态时,所有的原子似乎都变成了同一个原子。团队展示了一个超冷原子量子模拟平台来研究扭曲双层晶格中的超流体,该平台基于加载到自旋依赖光学晶格中的玻色-爱因斯坦凝聚体。团队发现,每个自旋态的原子只感受到一组晶格,层间耦合可以通过自旋态之间的微波耦合来控制。此外,团队还直接观察到空间莫尔条纹和动量衍射,证实了双层晶格中存在原子超流体。这一强大的平台,将用于模拟扭曲双层石墨烯,研究其强关联和超导电性的基础物理,以及探索其它难以在材料中实现的新量子现象。”

在【物理】量子材料专场,丁洪教授分别对演讲嘉宾进行了介绍:陈谐教授针对量子多体系统中的相与相变过程,涉及强关联、系统中的拓扑序、多体系统动力学、张量网络表示等领域开展科学研究,2020年因对量子拓扑态以及相互关系的研究,获得科学突破基金会颁发的物理学“新视野”奖;王亚愚教授主要研究工作是运用精密的电学、磁学、热学和扫描隧道显微镜等实验手段,来探索凝聚态物质中由于电子间的强相互作用而引起的非常规物理现象。2019年,王亚愚因在拓扑绝缘体量子输运性质和强关系体系电子结构方面的贡献获得科学探索奖;翁红明教授致力于计算方法和程序的开发和凝聚态物质中新奇量子计算与研究,2017年翁红明因发现外尔半金属作出的理论贡献获得仁科方雄亚洲奖。三位杰出科学家将向观众揭秘拓扑结构的神奇特性,及其在量子信息、量子计算等领域的应用。

微观世界的基本组成单元,如电子、原子、光子等都遵循量子力学。未来科学大奖科学委员会委员、加州理工学院理论物理教授陈谐以《万物皆量子》为题进行学术报告。她介绍了万物皆量子的思想,而这表现在量子力学中两个重要的概念:叠加和纠缠。叠加和纠缠不仅出现在微观的量子尺度上,还在宏观尺度上,比如在超导体和半导体中同样会出现的叠加和纠缠的现象。另外物理学家们也预言,黑洞和它的辐射是纠缠在一起的。两个黑洞也可以纠缠在一起,它们中间会形成所谓的虫洞,物理学家们对虫洞的理解就是黑洞和黑洞之间的纠缠。

什么是磁性拓扑绝缘体?清华大学物理系教授、系主任王亚愚以《当拓扑遇到磁性》为题,为我们介绍了这种材料的特殊性质以及科学家们在该领域所取得的进展。如何在磁性材料中不需要磁场就出现量子霍尔效应?这是过去30多年里,凝聚态物理和材料物理领域最具挑战的实验之一。据王亚愚教授介绍,要实现这一目标,所需要的实验材料必须同时满足3个严苛条件,即“铁磁性”“拓扑性”“绝缘性”,这就与磁性拓扑绝缘体的发现与研究联系起来。他指出,磁性拓扑绝缘体是实现量子反常霍尔效应的关键因素之一,通过创造更加新奇的量子态,利用它的独特性质可以研制磁性材料、自旋材料等特殊材料。

中国科学院物理研究所研究员翁红明以《拓扑量子材料计算》为题,介绍了如何利用物理图像、材料经验和计算工具进行拓扑量子材料探索,展示其独特的拓扑性质,并进一步展望拓扑量子材料发展的方向。他指出,拓扑量子态具有抗干扰、高容错和低能耗的特点,是未来信息技术革命的关键所在。然而在过去的研究中,由于不变量的表达式十分繁难,这一计算往往需要深耕于该领域的专家耗费大量时间精力才能完成。“手动搜索”的局限性,使得人们难以预测绝大部分材料的拓扑性质。团队开发出了通过计算材料能带的对称性数据从而自动获得其拓扑不变量的一套完整的、快速的、可以全自动运行的计算流程。在经过该流程之后,任何一种非磁性晶体材料都将获得一个“拓扑标签”,写着它是否具有,以及具有哪些拓扑性质。

用化学催生万物  窥未来物质变革

在【化学与材料】专场中,未来科学大奖周Program Committee委员、北京大学前校长、北京大学未来教育管理研究中心首创主任林建华对演讲嘉宾进行了介绍:崔屹教授来自斯坦福大学,他的一大贡献是把纳米科学引入电池技术,重新发明电池,给电池界带来革命性的变化,2014年他被路透社评为世界排名第一的材料科学家。而邹晓冬教授主要研究领域为发展电子晶体学方法和新型多孔材料。她是发展电子晶体学核心技术并用其测定未知三维晶体原子结构的的先驱者之一,这为新材料的结构分析带来了革命。

碳中和愿景已经成为人类社会的共识,它的实现需要科学家在众多领域进行突破革新。未来科学大奖科学委员会委员、斯坦福大学材料系终身教授、斯坦福Precourt能源研究所主任、Nano Letters执行主编、美国电池500联盟共同主任崔屹以《纳米科技助力实现碳中和》为题,介绍了纳米技术在各领域中的应用。他指出,通过设计、制备和应用特定结构的纳米材料,可以使电池的能量密度得到提升,并实现大规模储能成本的有效降低,低阻力高效颗粒物过滤技术得以实现,新型冷却保温织物也即将走向市场。这些最前沿的纳米技术将有效的加快人类社会迈向碳中和的步伐,也提供了更多节能减排、绿色发展的技术路线。

结构决定性质,人类科技的发展历程就是对物质结构不断加深理解的过程。电子晶体学就是基于物质结构探测手段所开辟出的新领域。斯德哥尔摩大学的邹晓冬教授在《电子晶体学:过去,现在和未来》的报告中指出,三维电子衍射技术帮助科学家发现新的晶体结构、描述晶体中的分子运动,为气体分子吸附、药物分子-蛋白相互作用等微观过程的监测提供可靠手段。通过发展高速、高通量的检测方法,电子衍射技术会促进更多领域的进步。

在【化学】有机合成分子专场中,林建华教授对两位演讲嘉宾进行介绍:邓力教授是世界著名有机化学家,是国际公认的不对称有机催化领域的开创者和引领者之一。他所发明报道的催化剂和化学反应已被应用于工业界,很多催化剂已授权给知名试剂和大制药公司开发使用。而高毅勤教授的研究领域是理论和计算化学,他致力于发展理论与计算方法研究染色质结构和生物功能,生物分子的溶液构象,生物酶催化机制和化学反应中的溶剂化效应。

在人类已知的药物分子中,手性分子占比过半。手性分子的合成需要不对称催化剂完成,而传统的不对称催化剂含有贵金属,价格昂贵,毒性较大。未来科学大奖科学委员会委员、西湖大学徐益明讲席教授、西湖大学理学院执行院长邓力教授在题为《弱键不对称有机催化》的报告中提出,模仿自然界中酶催化剂的原理,设计结构精巧的有机分子作为催化剂,通过与反应物的氢键结合,高活性、高选择性的合成手性产物,并成功应用到了2型糖尿病候选药物的生产中,引导更多药物分子的精准合成和与酶效率相媲美的有机催化剂的开发及设计。

随着信息技术的不断发展,科学家开始利用计算机对分子世界进行模拟,从而更深入全面的理解分子的运动和变化。传统的分子模拟手段所需的计算量大,计算效率低。北京大学化学与分子工程学院教授高毅勤在题为《人工智能辅助分子模拟》的报告中指出,通过引入深度学习和人工智能,能够对复杂分子和宏观体系进行有效模拟,更高效更准确的预测化学反应的产物、蛋白质三维结构和水冰相变过程,有效的提高了分子模拟的计算能力,为科学家设计分子、筛选实验条件提供可靠的依据。

探索宇宙万物奥秘  阐述世界基本法则

在【天文】宇宙起源专场中,中国科学院国家天文台副台长刘继峰在致辞中表示:“在现代科学的辅助之下,我们对于宇宙起源有了更深入的研究,本次活动邀请到武向平院士,他主要从事宇宙学的研究,发起并主持了在天山地区开展的宇宙第一厘曙光探测的科学实验,目前担任中国科学院先导科技专项‘多波段引力波宇宙研究’首席科学家;而王杰教授所带领的国际团队在2020年首次获得了宇宙中从最小质量到最大质量的暗晕内部结构清晰图像,两位优秀科学家将与大家一起探讨宇宙起源之秘。”

天文学家试图回答一个非常宏大的问题:宇宙是谁?宇宙从哪里来?宇宙到哪里去?未来科学大奖周Steering Committee委员,中国青少年科技辅导员协会理事长,中国科学院院士武向平,在《理解宇宙》演讲中表示:“九十多年前哈勃发现了宇宙的膨胀,上世纪六十年代人们观测到了宇宙大爆炸火球遗留下的痕迹,随后成功解释了宇宙轻元素的合成,如今人们又完美复制了宇宙中大尺度结构的形成 - 现代宇宙学的确取得了巨大的成功。然而,宇宙的主要物质成分和导致宇宙加速膨胀的动机依然扑朔迷离,也许暗物质和暗能量这两朵现代宇宙学上空的乌云预示着整个自然科学理论体系即将发生变革,我们要用超前的想象力和创造力去发现另一个全新的物理世界。”

人类凭借宇宙总物质能量不到1%的可发光物质确定了我们的宇宙的成分和演化历史,这是如何做到的?超级计算机在此过程中起到怎样的作用?中国科学院国家天文台研究员王杰,在《超级计算机里的宇宙》的演讲中指出,通过数字模拟,超级计算机可以模拟不同宇宙学模型的演化,从而在与观测得到的星系巡天数据的对比中,明确了现在以暗物质,暗能量为主导的“双暗”标准宇宙学模型。借助数值模拟,我们可以直观的“看到”暗物质在宇宙中的分布和演化。数值模拟还帮助我们进一步认识宇宙中的结构是如何形成的,包括大尺度结构,暗晕以及星系等。

我们在宇宙中是否孤单?是否能找到宜居星球?能否与其产生通讯?如何做到?在【天文】宜居星球专场中,武向平院士向观众介绍了两位演讲嘉宾:“周济林从事外行星系统形成与动力学研究数十年,在天文领域卓有建树。刘红院士从事环境保护和生命保障系统研究,所主持研究的‘月宫一号’生物再生生命保障系统,曾完成世界上时间最长、闭合度最高的生物再生生命保障系统实验。他们将带领观众探秘地外行星,畅想太空生活。”

南京大学天文与空间科学学院教授周济林,在《从流浪地球到寻找另一个家园》学术报告中回顾了太阳系外行星的发现,展望在不远的将来人类探索和发现另外一个地球的可能途径。他指出:“行星要适合人类居住要满足存在液态水的先决条件。之前有报导可能在金星大气存在生物体代谢产物,引发了金星大气存在原始生命的猜想。从视向速度法到凌星法,技术上的突破带来了国际上的系外行星探测的热潮。为搜寻新家园,人类将不懈努力,探索星辰大海的更多奥秘。”

北京航空航天大学教授、月宫一号总设计师/首席科学家、国际宇航科学院院士刘红,在《太空生存》的分享中表示:“太空生存必须依靠一个密闭舱系统与外界环境隔离开来,需要制造合适的空气压力、温度、湿度、合适的空气流速,并保持空气净化的环境保障系统,保障人对氧气、水、食物的需求,同时对废物进行处理和处置的生命保障系统。单人的物资消耗量巨大,依靠地球输难以满足。必须原位循环再生,同时对星球的原位资源开发利用。地球生物圈的物质循环再生启发了我们构建人工闭环生态系统,也被称为携带式和物理化学再生式的第三代生命保障系统。”

人类要走到宇宙深处,首先要跨越太阳系。探测太阳系,有什么技术难点,太阳系里的八大行星包含什么秘密呢?在【天文】深空探测专场中,武向平为观众介绍了两位演讲嘉宾:翁玉林教授观察和研究太空行星理论近40年,研究领域行星大气、行星演化、大气化学、大气辐射、天体生物、地球变迁等;而王赤教授的主要研究领域是空间物理和空间天气,在太阳风大尺度结构和太阳风与地球磁层相互作用等国际科技前沿领域,做出了一系列有原创性和国际影响的科研成果。两位杰出科学家将分别向观众展现人类在火星与月球探测的科学发现,帮助大家理解太阳系,了解我们所生活的宇宙空间。

未来科学大奖科学委员会委员、美国加州理工学院地质与行星科学系教授、美国人文与科学院院士翁玉林,在《寻找火星生命》学术报告中介绍了人类在火星上寻找生命的科学发现。他表示:“证明是否存在地外生命最可靠的方法就是找到DNA分子结构。此外,不同寻常的同位素丰度,原始层积岩的形态等,都可能是生命的证据。几十亿年的火星历史中存在过还原态和氧化态,有磁场、水文、云等现象,人类还在火星地表发现过硝酸盐以及腈等有机物,这些都表明火星上出现过生命或者火星环境曾经具有生命诞生的有利条件。团队研究的课题包括定位火星甲烷的排放源,以便于未来进行原位探测。此外团队还研究了地球生命诞生于海底热泉中的简单化学反应的可能性,而这也是宜居带星球生命起源极有可能的方式。”

中国科学院院士,中国科学院国家空间科学中心主任王赤,以《月球与深空探测的前沿科学问题》为题,按距离依次递进约百倍的关系重点介绍了月球、火星及太阳系边际探测的前沿科学问题。他表示:“深空即是月球及以远的空间,深空探测,是为了更好地理解和保护地球家园,揭示宇宙奥秘。而前沿的深空探测瞄准太阳系,通过对太阳系的探测,让人类可以更好地理解太阳系的起源和演化、生命的起源和演化,以及太阳对地球和人类的影响。同时,通过对监测小天体,人类可以评估其撞击地球的风险,实现提前干预与规避撞击的发生。”他还指出,月球作为保存完好的太阳系标本,是研究地月系、太阳系起源与演化的最佳样品,同时作为我们永不陨落的卫星,是一个观天测地理想的场所。作为深空探索的前沿,太阳系边际探测聚焦揭秘外太阳系典型天体,感知地球家园深空环境两大主题。深空科学探索永无止境。

2021未来科学大奖周科学峰会是极具影响力的高端多领域国际性科学会议,围绕世界前沿话题,以科学突破未来边界,启迪和传播科学精神,传递科学能量、点燃科学激情,希望通过国际尖端科研人才的领先性意见和独到见解感染更多的科学爱好者和年轻的科学力量。今年,为期一周的未来科学大奖周期间举办的多场系列活动及科学艺术展览已顺利举行。相信在疫情时期,线上线下完美结合的科学盛会必然能突破时间和区域的界限,打造出2021年度最有影响力的科学盛事,以科学精神影响中国、影响世界、影响下一代。