21世紀核心科學問題展望

1、21世紀的核心科學科學問題展望 HYPERLINK 1999/11/25 13:4科技日報編者按 前不久，國家自然科學基金委員會舉行了第七至第十次“21世紀核 心科學問題論壇”，該論壇是根據(jù)國家自然科學基金委員會“十五”優(yōu)先資助領 域戰(zhàn)略研究工作的需要，由政策局會同有關科學部共同組織，邀請從事與各主題 有關研究領域的專家參加研討，我們特刊登這四次論壇的綜述。編者按前不久， 國家自然科學基金委員會舉行了第七至第十次“21世紀核心科學問題論壇”， 該論壇是根據(jù)國家自然科學基金委員會“十五”優(yōu)先資助領域戰(zhàn)略研究工作的 需要，由政策局會同有關科學部共同組織，邀請從事與各主題有關研究領域的專 家參加研討

2、，我們特刊登這四次論壇的綜述?！澳蹜B(tài)物理及其相關領域”論壇凝聚態(tài)物理是研究固體、液體、稠密氣體等體系物質的基礎學科，是當今物 理學中最龐大、發(fā)展最迅速的分支學科。它為力學、流體力學、熱力學、電子學、 光學、冶金學及固態(tài)化學等學科提供量子力學基礎。凝聚態(tài)物理在發(fā)展過程中不 斷提出新概念、新思想，如對稱性破缺、重整化群、強關聯(lián)等，涉及到很多物理 問題。凝聚態(tài)物理的基本概念對物理學進行更新、對學科優(yōu)勢進行交叉，發(fā)展了 生命科學和化學，并對傳統(tǒng)學科進行改造。物理學與生命科學、化學有自然的連 接。從長遠發(fā)展來看，凝聚態(tài)物理將向生命科學方向發(fā)展。凝聚態(tài)物理是化學、 生物等學科的基礎。凝聚態(tài)物理已成為晶體

3、管、超導磁體、固體激光器、高靈敏度輻射能量探測 器等重大技術革新的源泉，為高技術的發(fā)展做出了巨大貢獻。它對通信、計算以 及利用能量所需的技術起著直接的作用，也對非核軍事技術產生了深刻的影響。 溝通由量子力學描述的微觀世界和復雜的宏觀凝聚態(tài)物質并非是輕而易舉之事， 它提出了難以預測的智力挑戰(zhàn)，也收獲了未曾料到的實際報償，諸如近年來發(fā)現(xiàn) 的高溫超導體，宏觀系統(tǒng)中的量子輸運，C60分子與固體、巨磁電阻與龐磁電阻 等，可為例證。僅巨磁電阻在磁性紀錄方面的應用一項就帶來了每年幾十億美元 的市場。因而與復雜性為鄰的復雜凝聚態(tài)物質的物理學就自然地成為物理學發(fā)展 前沿的一部分。在世紀之交，這一前沿特別引人注目

4、。凝聚態(tài)物理的研究，歷來受到各國政府和科技界的高度重視。此次會議認為， 我國凝聚態(tài)物理研究具有相當好的基礎和研究規(guī)模，也曾取得重要成果。在人類 即將進入21世紀的時候，國家自然科學基金委員會以“凝聚態(tài)物理及其相關領 域”為主題進行研討，反映了當今國際研究的潮流。會議認為，科學基金作為國家支持基礎研究的一個重要渠道，應充分考慮對 基礎學科的支持，注意與國家其他計劃項目的區(qū)別和銜接。根據(jù)國家自然科學基 金委員會“十五”優(yōu)先資助領域遴選原則，結合我國優(yōu)勢，“凝聚態(tài)物理及其相 關領域”應圍繞1、強關聯(lián)及其他奇特性能凝聚態(tài)物質；2、軟凝聚態(tài)物質；3、 生命活動中涉及的凝聚態(tài)物理對象；4、介觀和納米尺度物

5、理對象；5、界面表面 和低維體系等方向開展研究。主要科學問題是：1、強電子關聯(lián)導致的物理現(xiàn)象與規(guī)律；2、高（無限）自 由度體系下的復雜性能輸運，動力學、非平衡、亞穩(wěn)態(tài)；3、宏觀量子現(xiàn)象；4、 生命體系中的單元構形與功能；5、高空間分辨、能量分辨的物理實驗測量方法； 6、凝聚態(tài)物性的理論計算方法；7、高時間分辨、能量分辨及其它極端條件實驗 方法?！爸袊r業(yè)可持續(xù)發(fā)展”論壇農業(yè)可持續(xù)發(fā)展是我國社會經濟可持續(xù)發(fā)展的重要組成部分，是我國21世 紀農業(yè)發(fā)展的必然選擇。中國農業(yè)發(fā)展必須走資源節(jié)約，生產集約高效，保護環(huán) 境的可持續(xù)發(fā)展道路。農業(yè)可持續(xù)發(fā)展面臨許多亟待研究的重大基礎課題，圍繞 這些問題進行多學

6、科的交叉研究，是實現(xiàn)我國農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要保證。此次會議認為，在我國人民生活水平由溫飽向小康過渡，農業(yè)結構調整以及 即將加入WTO的國內國際社會經濟背景下，農業(yè)高產、優(yōu)質、高效和安全是重要 的發(fā)展方向。我國農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重大基礎研究中，應當注意開展以下四個方 面的研究工作。一、農業(yè)生物重要種質資源發(fā)掘與重要性狀遺傳改良1、我國特有種質資源收集、鑒別與利用我國特有種質資源、特別是超高產、優(yōu)質、抗病蟲害與抗逆境特性的種質資 源的收集和持久保存新技術的研究；對收集種質重要性狀的鑒定研究，并在基因 組水平上利用DNA標記技術對種質的遺傳多樣性進行分析，制定種質資源保護和 遺傳多樣性的綜合評定標準，

7、探索現(xiàn)代品種改良中充分利用我國特有遺傳資源的 理論與方法。2、重要性狀的遺傳規(guī)律與表達調控影響主要農業(yè)生物重要性狀（特別是多基因遺傳性狀）的基因定位及分子標 記，基因的表達調控機理；重要性狀主效基因克隆及表達研究；逆境信號轉導途 徑及逆境誘導表達轉錄因子的克隆、結構分析及其高效表達機理。3、重要性狀遺傳改良新途徑及特殊遺傳材料的構建基因重組與疊加及基因組合效應研究；基因家族（網絡）成員的結構與功能 關系及調控模式的研究；誘導生物抗病、抗逆生理與免疫系統(tǒng)生物活性物質研究 與應用。利用分子生物學技術構建遺傳工具材料和突變體材料及其應用。二、農業(yè)病蟲害發(fā)生規(guī)律及可持續(xù)控制研究1、重要病蟲害流行和成災

8、規(guī)律不同生態(tài)環(huán)境條件以及不同栽培飼養(yǎng)條件下病蟲害發(fā)生消長規(guī)律，病蟲害消 長的動力學及其與環(huán)境因素的關系；重要病蟲害的宏觀、微觀及分子流行病學規(guī) 律；用于標記和識別害蟲發(fā)生、遷飛動態(tài)的新方法；有害病原生物間及病原生物 與非有害生物間的相互作用及其對病害發(fā)生的影響；多重病毒感染及寄主抵抗力 狀態(tài)與病害發(fā)生消長的關系。2、重要病蟲害致害性、變異性及寄主抗性的分子機理闡明重要病原物侵染和致害寄主過程中的生理、生化及分子病理學機制；有 害生物在對環(huán)境和寄主適應過程中變異和演化的分子生物學機制；病原物及害蟲 的突變體及新的有害生物出現(xiàn)的系統(tǒng)監(jiān)測；緩解和控制有害生物變異或突變的條 件和方法；寄主抗性形成的生

9、理、生化、遺傳學和分子生物學基礎及影響寄主抗 性的因素；植物的防御體系及動物的免疫系統(tǒng)及其作用機理。3、重要病蟲害控制的理論和方法抗性和抗性相關基因的鑒定和抗病育種，轉基因動植物的安全性評價研究； 新型抗病抗蟲藥物及提高寄主抗性的藥物和制劑研究；病蟲害無公害控制的基礎 生物學研究，培育對環(huán)境有抗逆性及對農藥有高抗性的天敵，病蟲害化學生態(tài)學 的基礎研究，昆蟲間及昆蟲與寄主間信號化學物質的基礎研究；動物病毒病的保 護性免疫抗原基因的鑒定克隆；病蟲害控制的新思路、新方法。三、農業(yè)環(huán)境資源高效利用與生態(tài)安全1、土壤一植物體系中水分、養(yǎng)分循環(huán)和高效利用土壤一植物體系氮素循環(huán)及高效利用；植物一土壤相互作用

10、的根際微生態(tài)效 應；不同植物活化和高效利用土壤養(yǎng)分資源的機理；水分養(yǎng)分耦合作用機理及水 肥高效利用；有機物料的養(yǎng)分循環(huán)，農田土壤水分、養(yǎng)分實時調控的理論框架和 模型。2、土壤質量與農田生態(tài)系統(tǒng)健康典型農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的土壤質量指標體系；代表性農區(qū)特色農產品 的土壤質量條件及其調節(jié)、培育；高產高投入下土壤系統(tǒng)的演變特點；污染土壤 的化學、生物、生態(tài)修復。3、農業(yè)土地利用與荒漠化關系及系統(tǒng)重建機理生物地球物理過程驅動的風蝕、風沙運動及風積過程的動力學機制；荒漠化 地區(qū)水分的空間分布及運行規(guī)律；土地退化過程中主要化學元素的遷移、分布、 轉化的生物地球化學過程；植被與土壤系統(tǒng)水、鹽運移與轉化的耦

11、合過程及對土 壤鹽漬化的影響機理；土地承載力與環(huán)境容納量以及系統(tǒng)重建的機理。四、復合農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)1、可持續(xù)農業(yè)系統(tǒng)模式的評價體系與結構提出可持續(xù)農業(yè)系統(tǒng)模式的構建原則、指標與參數(shù)；確定不同類型可持續(xù)農 業(yè)系統(tǒng)模式的尺度，斑塊一生態(tài)系統(tǒng)，景觀或區(qū)域、結構與組分；模式功能機理 的研究與流程圖的設計構建（包括能流、物流、價值流與信息流）；在農業(yè)生態(tài) 區(qū)劃的基礎上進行可持續(xù)農業(yè)系統(tǒng)模式的分類；可持續(xù)農業(yè)系統(tǒng)模式的評價體 系。2、我國典型地區(qū)可持續(xù)農業(yè)系統(tǒng)模式的構建、模擬、實驗與優(yōu)化構建典型地區(qū)可持續(xù)農業(yè)系統(tǒng)模式的動態(tài)數(shù)學模型；可持續(xù)農業(yè)系統(tǒng)模式的 模擬仿真；不同尺度可持續(xù)農業(yè)系統(tǒng)模型的尺度轉換、參數(shù)確

12、定與耦合；可持續(xù) 農業(yè)系統(tǒng)模式的實驗與模型驗證；可持續(xù)農業(yè)系統(tǒng)模式的篩選與優(yōu)化?！皬碗s系統(tǒng)與復雜性科學”論壇復雜性科學是指以還原論、經驗論及“純科學”為基礎，吸收系統(tǒng)論、理性 論和人文精神而發(fā)展成的主要研究復雜系統(tǒng)和復雜性的一門新學科。復雜性科學 在80年代中期興起，它的興起被認為是科學發(fā)展的新的轉折點。我國應大力提 倡和加強對復雜性科學的研究，它雖然處于萌芽狀態(tài)，但已被有些科學家譽為是 “21世紀的科學”的跨學科的新興領域的研究。復雜系統(tǒng)的范圍很廣，涉及自然現(xiàn)象、工程、生物、經濟、管理、軍事、政 治和社會等各個方面。概括起來，復雜性科學可分物理、生物和社會三個層次來 研究。同時，還需要開展這

13、三個層次之間共性的研究，即關于復雜性與復雜系統(tǒng) 的理論與方法研究。這對學術創(chuàng)新，盡快使我國在復雜性科學領域的研究進入國 際前沿水平具有戰(zhàn)略意義。會議認為，應重點研究以下幾個關鍵科學問題：1、復雜系統(tǒng)與復雜性的理論與方法研究復雜性科學研究中的物理、生物和社會三個層次中以及相互之間的共性問 題。如：復雜系統(tǒng)的動力學與建模；復雜系統(tǒng)結構、功能與行為；復雜系統(tǒng)的度 量、辨識、預測與評價；復雜系統(tǒng)的演化、涌現(xiàn)、自組織、自適應、自相似的機 理；復雜系統(tǒng)中的策劃與調控；人一機結合的綜合集成；復雜系統(tǒng)與復雜性研究 的典型方法。2、物理層次復雜系統(tǒng)的研究物理層次的復雜系統(tǒng)蘊含著復雜系統(tǒng)的若干最基本的性質：如由劇

14、烈運動而 引起的復雜性（湍流），由物質多層次強交互作用而引起的復雜涌現(xiàn)行為（材料 損傷），由大尺度、長時演化而在混沌與秩序的邊緣形成的特殊結構（成礦）， 對爆發(fā)性的物理化學災害過程在社會、生物、信息環(huán)境下的演化（火災），無生 命體與生命系統(tǒng)的適應過程（生物材料）等等。這些都是復雜性科學與物理學和 工程科學前沿相結合的范例。3、生物層次復雜系統(tǒng)的研究生物層次的復雜系統(tǒng)以腦的復雜性為標志，尤以腦的高級功能活動為典型。 腦的思維意識可視為自組織神經集群的整體動態(tài)功能，需要探討動態(tài)神經功能的 群體涌現(xiàn)過程和意識的動力學基礎。生物層次復雜系統(tǒng)研究的另一個重要問題是 生態(tài)系統(tǒng)物種相互作用演化的復雜性。它們

15、都是復雜性科學與生命科學前沿相結 合的范例。從重點研究：腦動態(tài)集群的時空結構與功能的涌現(xiàn)機制；腦高級功能 （包括意識）的復雜性探索；生態(tài)系統(tǒng)在人類干擾下的物種相互作用演化的復雜 性。生物層次的其他復雜系統(tǒng)問題，如人的語言聽覺系統(tǒng)從初始感知到高層語義 理解的多層次性結構和多功能涌現(xiàn)的機理和仿真再現(xiàn)等。4、社會層次復雜系統(tǒng)的研究社會層次的復雜系統(tǒng)因具有思維能力的人的介入而變得更為復雜。典型的如 社會經濟系統(tǒng)、金融系統(tǒng)、企業(yè)組織管理系統(tǒng)等，在這類系統(tǒng)中，因人的參與所 產生的不確定性、投機性及主客體易位等特征賦予了額外的復雜性。如何將描述 復雜系統(tǒng)的動力學理論引入經濟學，探討在危機涌現(xiàn)時的行為是管理科

16、學的重要 問題。重點研究：經濟動力學；金融避險；網絡社會與知識經濟時代的組織結構 與調控問題。此外，社會層次的其他復雜系統(tǒng)問題，如逐步開放的復雜系統(tǒng)中涌 現(xiàn)發(fā)展的動力學研究（如加入WTO后的糧食系統(tǒng)）；自然災害復雜系統(tǒng)研究等?！傲孔有畔W基礎研究”論壇量子信息科學是物理學與信息科學交叉融合產生的新興學科領域，涉及物 理、計算機、通信、數(shù)學等多個學科，對帶動這些學科的發(fā)展具有重要意義。量 子信息學為未來信息科學的革命性變革提供了可靠的物理基礎。量子信息技術在 運算速度、信息安全、信息容量等方面可突破傳統(tǒng)信息系統(tǒng)的極限。量子計算機 具有巨大的并行性和強大的計算能力，能夠解決經典計算機難于解決的某些

17、重要 問題。此次會議認為，目前量子信息學研究在國際上剛剛起步，我國已開展了這一 嶄新學科的研究，并且取得了相當好的成果，在某些方面達到國際領先水平，初 步形成了一支具有較高水平的理論和實驗研究隊伍，具有在這一新興學科領域參 與國際競爭的一定實力。因此將量子信息學基礎研究作為國家自然科學基金“十 五”優(yōu)先資助領域非常及時和必要。建議開展以下三方面的研究工作：一、量子信息學的基礎理論1、量子信息學的物理基礎。重點研究量子糾纏、量子非局域性、量子測量、 量子不可克隆性等基礎理論。2、量子編碼。重點研究宏觀多體體系消相干的物理過程和數(shù)學描述；研究 具有更高效率、更強克服消相干能力的糾錯、避錯、容錯的量

18、子編碼方案，以解 決量子計算可靠性問題；研究構造無消相十子空間實現(xiàn)量子計算的方案。3、量子算法。重點研究新的量子算法，如將更多屬于經典復雜性理論中的 難解（NP）問題變成量子計算的易解（P）問題；開拓Shor算法和Grover算法 等新的應用范圍。4、量子信息論。重點研究計算和通訊的復雜性理論，量子密碼信息論，量 子圖靈原理和量子香農定理等。二、量子通信1、量子密碼及新型量子安全體系的研究。重點解決將現(xiàn)有點對點的量子密 碼技術推向實際應用的關鍵性問題，如密鑰檢測、噪聲通道對密碼安全性的影響 及克服辦法等，以期盡早實現(xiàn)量子保密通信的實用化；提出并實現(xiàn)新的網絡密碼 方案，為建立局域網量子保密通信打下基礎；研究新型量子安全體系，如多維態(tài) 或連續(xù)態(tài)的量子密碼、量子身份識別等。2、量子隱形傳態(tài)（Teleporta tion）的理論和實驗研究。重點解決有效測量光子Bell態(tài)的問題，實現(xiàn)光子態(tài)的量子隱形傳態(tài)；研究 并實現(xiàn)連續(xù)量子態(tài)的隱形傳送；提出兼?zhèn)湫畔鬏敽吞幚砉δ艿男滦土孔油ㄐ诺?原理和方法。3