探明宇宙演化、物質結構、生命起源和認知機理是人類永恒的追求，這些基礎科學領域的突破往往能從根本上改變我們對時間、空間和物質運動規律的認識，催生變革性技術，開創物質文明的新時代。20世紀創建的相對論和量子力學打破了經典物理學絕對的時空觀和粒子運動必須有軌跡的觀念，揭示了時空性質與物質、運動的聯系，采用“量子態”描述物理體系；新理論的建立促進了半導體晶體管、計算機、互聯網、激光、核能利用等變革性技術的出現，造就了信息時代的物質文明。可見，在科技領域，一些看似相互獨立的問題實際上有著深刻的內在聯系。當今時代重大基礎交叉科學的突破完全有可能催生新的科學革命，為人類創造現在還難以想象的先進物質文明。我們一定要順應這一發展趨勢，把握好這一歷史機遇。

　　研究宇觀世界的天文宇宙學和研究微觀世界的粒子物理學近年來的交叉融合是一個重要的發展趨勢。基于天文觀測和粒子物理學成果提出的宇宙大爆炸模型，正在經受各種天體和粒子物理精密測量的檢驗，使宇宙學逐步成為定量科學。人類已經了解的物質形態在宇宙中只占約5%，其他主要是暗物質（與光不發生相互作用）和暗能量（能導致宇宙加速膨脹），它們與普通物質不能相互轉換，但會決定宇宙的未來。為了揭示暗物質和暗能量的本質，發達國家投入大量人力物力，以求盡早取得突破。中國錦屏地下實驗室已在暗物質直接探測方面取得了有國際競爭力的成果；在暗能量研究方面，我國也在積極籌建并參與國際合作的大型巡天望遠鏡計劃。

　　掌握微觀量子世界運動規律是許多現代技術應用的基礎，但宏觀測量會破壞量子態的“相干性”，使它成為“看不見”“摸不著”的“自在之物”。近年來精密實驗技術的發展正在逐步改變這種狀況。利用掃描電子隧道顯微鏡可以觀察和移動單個分子、原子，運用飛秒激光技術可以研究分子內部的動力學過程，可以逐層逐列地將原子、分子構筑成晶體，可以產生和探測單個光子。這些過去不可思議的手段已經使原子、電子、光量子等變成“看得見”“摸得著”“可調控”的“為我之物”。從這個意義上說，90年前提出的量子力學已從觀測、解釋階段進入了嶄新的“調控時代”。

　　用量子態取代信息技術中的經典比特，即將開創“量子信息技術”的新時代。300個量子比特可存儲的狀態是2的300次方，相當于整個宇宙中的原子數，這奠定了運用量子計算機進行海量并行運算的基礎。量子信息的相干性、糾纏性、非定域性和不可克隆性等特點，使它較經典信息技術具備巨大的優越性，尤其是它無懈可擊的保密性。我國在量子通信方面已走到國際前列。量子材料的設計、制備和表征是“量子調控”的另一重要方面。傳統做法是通過多次試驗探索新材料，周期長、效率低；新做法是基于對材料結構和物性的深刻理解，按照需求設計和制備材料。近年來凝聚態物理中的熱門材料如“拓撲絕緣體”“拓撲半金屬”等就是先理論計算預言，利用特定材料體系制備樣品，再用各種精密測量手段表征、驗證。這種理論計算、材料制備與實驗表征緊密結合的新范式，使我國的相關研究水平迅速走到國際前列。

　　基因組學、合成生物學等現代生物學理論和技術，與天文學、地質學、古生物學以及遺傳學的最新進展相結合，為研究生命起源和進化提供了新思路、新手段。運用現代生物學知識和生物化學方法人工合成蛋白質、核酸等并實現其生物學功能，這是研究生物分子體系起源并實現由簡單到復雜演化機理的重要途徑。對現存生物的亞細胞和細胞結構，先通過分解分析認識其最基本組成單元，再通過人工設計組合產生新的符合設計目標的可復制細胞，逐步實現實驗室中“人造生命”的夢想，使人類可以深度改造和創造生命。

　　探索智能的本質，了解腦結構及其認知功能，不但是腦與認知科學領域的基本問題，更是最具挑戰性的科學命題之一。對腦認知功能的研究有兩條途徑：一是自上而下的還原論，從宏觀的腦區到介觀的神經環路、神經網絡，再到微觀的蛋白質、基因，追蹤認知的生物學基礎；另一條是自下而上的演生論，從信號到符號、編碼，再到圖像、概念，最后到情感、意識和行為，探求認知的機理。這兩條途徑近年來都取得了重大進展。許多發達國家都在制定“腦研究計劃”，我國也在醞釀類似計劃。我國的研究計劃除了研究腦結構和功能外，還將其與人工智能和神經系統疾病的防治緊密結合。這是非常符合科學規律的選擇，因為腦認知和人工智能是密切相關的兩個學科，在很多方面可以互相借鑒，實現深度交叉融合。

　　（作者為中國科學院院士、中國科學院物理研究所研究員）

　　《 人民日報 》（ 2015年10月18日 05 版）