21世纪核心科学问题展望

1、21世纪的核心科学科学问题展望 HYPERLINK 1999/11/25 13:4科技日报编者按 前不久，国家自然科学基金委员会举行了第七至第十次“21世纪核 心科学问题论坛”，该论坛是根据国家自然科学基金委员会“十五”优先资助领 域战略研究工作的需要，由政策局会同有关科学部共同组织，邀请从事与各主题 有关研究领域的专家参加研讨，我们特刊登这四次论坛的综述。编者按前不久， 国家自然科学基金委员会举行了第七至第十次“21世纪核心科学问题论坛”， 该论坛是根据国家自然科学基金委员会“十五”优先资助领域战略研究工作的 需要，由政策局会同有关科学部共同组织，邀请从事与各主题有关研究领域的专 家参加研讨

2、，我们特刊登这四次论坛的综述。“凝聚态物理及其相关领域”论坛凝聚态物理是研究固体、液体、稠密气体等体系物质的基础学科，是当今物 理学中最庞大、发展最迅速的分支学科。它为力学、流体力学、热力学、电子学、 光学、冶金学及固态化学等学科提供量子力学基础。凝聚态物理在发展过程中不 断提出新概念、新思想，如对称性破缺、重整化群、强关联等，涉及到很多物理 问题。凝聚态物理的基本概念对物理学进行更新、对学科优势进行交叉，发展了 生命科学和化学，并对传统学科进行改造。物理学与生命科学、化学有自然的连 接。从长远发展来看，凝聚态物理将向生命科学方向发展。凝聚态物理是化学、 生物等学科的基础。凝聚态物理已成为晶体

3、管、超导磁体、固体激光器、高灵敏度辐射能量探测 器等重大技术革新的源泉，为高技术的发展做出了巨大贡献。它对通信、计算以 及利用能量所需的技术起着直接的作用，也对非核军事技术产生了深刻的影响。 沟通由量子力学描述的微观世界和复杂的宏观凝聚态物质并非是轻而易举之事， 它提出了难以预测的智力挑战，也收获了未曾料到的实际报偿，诸如近年来发现 的高温超导体，宏观系统中的量子输运，C60分子与固体、巨磁电阻与庞磁电阻 等，可为例证。仅巨磁电阻在磁性纪录方面的应用一项就带来了每年几十亿美元 的市场。因而与复杂性为邻的复杂凝聚态物质的物理学就自然地成为物理学发展 前沿的一部分。在世纪之交，这一前沿特别引人注目

4、。凝聚态物理的研究，历来受到各国政府和科技界的高度重视。此次会议认为， 我国凝聚态物理研究具有相当好的基础和研究规模，也曾取得重要成果。在人类 即将进入21世纪的时候，国家自然科学基金委员会以“凝聚态物理及其相关领 域”为主题进行研讨，反映了当今国际研究的潮流。会议认为，科学基金作为国家支持基础研究的一个重要渠道，应充分考虑对 基础学科的支持，注意与国家其他计划项目的区别和衔接。根据国家自然科学基 金委员会“十五”优先资助领域遴选原则，结合我国优势，“凝聚态物理及其相 关领域”应围绕1、强关联及其他奇特性能凝聚态物质；2、软凝聚态物质；3、 生命活动中涉及的凝聚态物理对象；4、介观和纳米尺度物

5、理对象；5、界面表面 和低维体系等方向开展研究。主要科学问题是：1、强电子关联导致的物理现象与规律；2、高（无限）自 由度体系下的复杂性能输运，动力学、非平衡、亚稳态；3、宏观量子现象；4、 生命体系中的单元构形与功能；5、高空间分辨、能量分辨的物理实验测量方法； 6、凝聚态物性的理论计算方法；7、高时间分辨、能量分辨及其它极端条件实验 方法。“中国农业可持续发展”论坛农业可持续发展是我国社会经济可持续发展的重要组成部分，是我国21世 纪农业发展的必然选择。中国农业发展必须走资源节约，生产集约高效，保护环 境的可持续发展道路。农业可持续发展面临许多亟待研究的重大基础课题，围绕 这些问题进行多学

6、科的交叉研究，是实现我国农业可持续发展的重要保证。此次会议认为，在我国人民生活水平由温饱向小康过渡，农业结构调整以及 即将加入WTO的国内国际社会经济背景下，农业高产、优质、高效和安全是重要 的发展方向。我国农业可持续发展的重大基础研究中，应当注意开展以下四个方 面的研究工作。一、农业生物重要种质资源发掘与重要性状遗传改良1、我国特有种质资源收集、鉴别与利用我国特有种质资源、特别是超高产、优质、抗病虫害与抗逆境特性的种质资 源的收集和持久保存新技术的研究；对收集种质重要性状的鉴定研究，并在基因 组水平上利用DNA标记技术对种质的遗传多样性进行分析，制定种质资源保护和 遗传多样性的综合评定标准，

7、探索现代品种改良中充分利用我国特有遗传资源的 理论与方法。2、重要性状的遗传规律与表达调控影响主要农业生物重要性状（特别是多基因遗传性状）的基因定位及分子标 记，基因的表达调控机理；重要性状主效基因克隆及表达研究；逆境信号转导途 径及逆境诱导表达转录因子的克隆、结构分析及其高效表达机理。3、重要性状遗传改良新途径及特殊遗传材料的构建基因重组与叠加及基因组合效应研究；基因家族（网络）成员的结构与功能 关系及调控模式的研究；诱导生物抗病、抗逆生理与免疫系统生物活性物质研究 与应用。利用分子生物学技术构建遗传工具材料和突变体材料及其应用。二、农业病虫害发生规律及可持续控制研究1、重要病虫害流行和成灾

8、规律不同生态环境条件以及不同栽培饲养条件下病虫害发生消长规律，病虫害消 长的动力学及其与环境因素的关系；重要病虫害的宏观、微观及分子流行病学规 律；用于标记和识别害虫发生、迁飞动态的新方法；有害病原生物间及病原生物 与非有害生物间的相互作用及其对病害发生的影响；多重病毒感染及寄主抵抗力 状态与病害发生消长的关系。2、重要病虫害致害性、变异性及寄主抗性的分子机理阐明重要病原物侵染和致害寄主过程中的生理、生化及分子病理学机制；有 害生物在对环境和寄主适应过程中变异和演化的分子生物学机制；病原物及害虫 的突变体及新的有害生物出现的系统监测；缓解和控制有害生物变异或突变的条 件和方法；寄主抗性形成的生

9、理、生化、遗传学和分子生物学基础及影响寄主抗 性的因素；植物的防御体系及动物的免疫系统及其作用机理。3、重要病虫害控制的理论和方法抗性和抗性相关基因的鉴定和抗病育种，转基因动植物的安全性评价研究； 新型抗病抗虫药物及提高寄主抗性的药物和制剂研究；病虫害无公害控制的基础 生物学研究，培育对环境有抗逆性及对农药有高抗性的天敌，病虫害化学生态学 的基础研究，昆虫间及昆虫与寄主间信号化学物质的基础研究；动物病毒病的保 护性免疫抗原基因的鉴定克隆；病虫害控制的新思路、新方法。三、农业环境资源高效利用与生态安全1、土壤一植物体系中水分、养分循环和高效利用土壤一植物体系氮素循环及高效利用；植物一土壤相互作用

10、的根际微生态效 应；不同植物活化和高效利用土壤养分资源的机理；水分养分耦合作用机理及水 肥高效利用；有机物料的养分循环，农田土壤水分、养分实时调控的理论框架和 模型。2、土壤质量与农田生态系统健康典型农业生态系统可持续发展的土壤质量指标体系；代表性农区特色农产品 的土壤质量条件及其调节、培育；高产高投入下土壤系统的演变特点；污染土壤 的化学、生物、生态修复。3、农业土地利用与荒漠化关系及系统重建机理生物地球物理过程驱动的风蚀、风沙运动及风积过程的动力学机制；荒漠化 地区水分的空间分布及运行规律；土地退化过程中主要化学元素的迁移、分布、 转化的生物地球化学过程；植被与土壤系统水、盐运移与转化的耦

11、合过程及对土 壤盐渍化的影响机理；土地承载力与环境容纳量以及系统重建的机理。四、复合农业生态系统1、可持续农业系统模式的评价体系与结构提出可持续农业系统模式的构建原则、指标与参数；确定不同类型可持续农 业系统模式的尺度，斑块一生态系统，景观或区域、结构与组分；模式功能机理 的研究与流程图的设计构建（包括能流、物流、价值流与信息流）；在农业生态 区划的基础上进行可持续农业系统模式的分类；可持续农业系统模式的评价体 系。2、我国典型地区可持续农业系统模式的构建、模拟、实验与优化构建典型地区可持续农业系统模式的动态数学模型；可持续农业系统模式的 模拟仿真；不同尺度可持续农业系统模型的尺度转换、参数确

12、定与耦合；可持续 农业系统模式的实验与模型验证；可持续农业系统模式的筛选与优化。“复杂系统与复杂性科学”论坛复杂性科学是指以还原论、经验论及“纯科学”为基础，吸收系统论、理性 论和人文精神而发展成的主要研究复杂系统和复杂性的一门新学科。复杂性科学 在80年代中期兴起，它的兴起被认为是科学发展的新的转折点。我国应大力提 倡和加强对复杂性科学的研究，它虽然处于萌芽状态，但已被有些科学家誉为是 “21世纪的科学”的跨学科的新兴领域的研究。复杂系统的范围很广，涉及自然现象、工程、生物、经济、管理、军事、政 治和社会等各个方面。概括起来，复杂性科学可分物理、生物和社会三个层次来 研究。同时，还需要开展这

13、三个层次之间共性的研究，即关于复杂性与复杂系统 的理论与方法研究。这对学术创新，尽快使我国在复杂性科学领域的研究进入国 际前沿水平具有战略意义。会议认为，应重点研究以下几个关键科学问题：1、复杂系统与复杂性的理论与方法研究复杂性科学研究中的物理、生物和社会三个层次中以及相互之间的共性问 题。如：复杂系统的动力学与建模；复杂系统结构、功能与行为；复杂系统的度 量、辨识、预测与评价；复杂系统的演化、涌现、自组织、自适应、自相似的机 理；复杂系统中的策划与调控；人一机结合的综合集成；复杂系统与复杂性研究 的典型方法。2、物理层次复杂系统的研究物理层次的复杂系统蕴含着复杂系统的若干最基本的性质：如由剧

14、烈运动而 引起的复杂性（湍流），由物质多层次强交互作用而引起的复杂涌现行为（材料 损伤），由大尺度、长时演化而在混沌与秩序的边缘形成的特殊结构（成矿）， 对爆发性的物理化学灾害过程在社会、生物、信息环境下的演化（火灾），无生 命体与生命系统的适应过程（生物材料）等等。这些都是复杂性科学与物理学和 工程科学前沿相结合的范例。3、生物层次复杂系统的研究生物层次的复杂系统以脑的复杂性为标志，尤以脑的高级功能活动为典型。 脑的思维意识可视为自组织神经集群的整体动态功能，需要探讨动态神经功能的 群体涌现过程和意识的动力学基础。生物层次复杂系统研究的另一个重要问题是 生态系统物种相互作用演化的复杂性。它们

15、都是复杂性科学与生命科学前沿相结 合的范例。从重点研究：脑动态集群的时空结构与功能的涌现机制；脑高级功能 （包括意识）的复杂性探索；生态系统在人类干扰下的物种相互作用演化的复杂 性。生物层次的其他复杂系统问题，如人的语言听觉系统从初始感知到高层语义 理解的多层次性结构和多功能涌现的机理和仿真再现等。4、社会层次复杂系统的研究社会层次的复杂系统因具有思维能力的人的介入而变得更为复杂。典型的如 社会经济系统、金融系统、企业组织管理系统等，在这类系统中，因人的参与所 产生的不确定性、投机性及主客体易位等特征赋予了额外的复杂性。如何将描述 复杂系统的动力学理论引入经济学，探讨在危机涌现时的行为是管理科

16、学的重要 问题。重点研究：经济动力学；金融避险；网络社会与知识经济时代的组织结构 与调控问题。此外，社会层次的其他复杂系统问题，如逐步开放的复杂系统中涌 现发展的动力学研究（如加入WTO后的粮食系统）；自然灾害复杂系统研究等。“量子信息学基础研究”论坛量子信息科学是物理学与信息科学交叉融合产生的新兴学科领域，涉及物 理、计算机、通信、数学等多个学科，对带动这些学科的发展具有重要意义。量 子信息学为未来信息科学的革命性变革提供了可靠的物理基础。量子信息技术在 运算速度、信息安全、信息容量等方面可突破传统信息系统的极限。量子计算机 具有巨大的并行性和强大的计算能力，能够解决经典计算机难于解决的某些

17、重要 问题。此次会议认为，目前量子信息学研究在国际上刚刚起步，我国已开展了这一 崭新学科的研究，并且取得了相当好的成果，在某些方面达到国际领先水平，初 步形成了一支具有较高水平的理论和实验研究队伍，具有在这一新兴学科领域参 与国际竞争的一定实力。因此将量子信息学基础研究作为国家自然科学基金“十 五”优先资助领域非常及时和必要。建议开展以下三方面的研究工作：一、量子信息学的基础理论1、量子信息学的物理基础。重点研究量子纠缠、量子非局域性、量子测量、 量子不可克隆性等基础理论。2、量子编码。重点研究宏观多体体系消相干的物理过程和数学描述；研究 具有更高效率、更强克服消相干能力的纠错、避错、容错的量

18、子编码方案，以解 决量子计算可靠性问题；研究构造无消相十子空间实现量子计算的方案。3、量子算法。重点研究新的量子算法，如将更多属于经典复杂性理论中的 难解（NP）问题变成量子计算的易解（P）问题；开拓Shor算法和Grover算法 等新的应用范围。4、量子信息论。重点研究计算和通讯的复杂性理论，量子密码信息论，量 子图灵原理和量子香农定理等。二、量子通信1、量子密码及新型量子安全体系的研究。重点解决将现有点对点的量子密 码技术推向实际应用的关键性问题，如密钥检测、噪声通道对密码安全性的影响 及克服办法等，以期尽早实现量子保密通信的实用化；提出并实现新的网络密码 方案，为建立局域网量子保密通信打下基础；研究新型量子安全体系，如多维态 或连续态的量子密码、量子身份识别等。2、量子隐形传态（Teleporta tion）的理论和实验研究。重点解决有效测量光子Bell态的问题，实现光子态的量子隐形传态；研究 并实现连续量子态的隐形传送；提出兼备信息传输和处理功能的新型量子通信的 原理和方法。3