第四次科学革命

我们终将重新享受生活

回望2019年末与2020年初，人们很难想象2020年底的世界会是什么样子。过去这一年，我们共同经历了波及全球的新冠肺炎疫情、全球经济体系的严重错乱以及随之而来的不确定性和绝望。直到我们跨入2021年时，这些糟糕的事情仍未完结，依然是全人类的共同关切。

尽管如此，我们依然怀抱希望，努力克服眼前的困难，拥抱未来的幸福。有效的新冠疫苗业已推出，新冠肺炎疫情终将结束。我们仍会面对一段困难时刻，但到*后，世界上大部分人口将获得对新冠病毒的免疫力，重新享受生活。我们可以肯定，人类会有一个更加美好的明天。

战胜新冠病毒需要付出大量的心血和代价，*终要依靠科学，尤其是国际科学合作。新冠疫苗在不到一年的时间内研制成功并上市，仅花费了通常情况下研制疫苗所需时间的十分之一。新的方法可以应对未来不可避免会出现的新型病原体，更快速地生产有针对性的疫苗。

除了疫苗研制方面的进展，我们未来还将根据需要，开发新的诊断和治疗方法，并将类似的方法更快地应用于可能出现的新型病原体。

世界**科学家协会长期致力于推动基础科学研究、倡导国际合作、扶持青年成长，以此为国际科学事业做出贡献。我们将继续鼓励各国**科学家、青年科学家开展交流活动，进一步推动科学及其应用。

之前，全世界对新冠肺炎大流行准备不足，致使很多人遭受痛苦。但现在，我们可以乐观地、积极地应对其他重大挑战，包括气候变化、环境污染等。我们深信，我们能达到世界和平、全球繁荣的目标。

祝大家新年快乐！

世界**科学家协会主席

2006年诺贝尔化学奖获得者罗杰•科恩伯格

偕执行委员会委员

迈克尔•莱维特　朱棣文

文卡•拉玛克里希南 　兰迪•谢克曼

本书系第三届“世界**科学家论坛”嘉宾思想成果，包括了包括61位诺贝尔奖得主在内，近140位诺贝尔奖、图灵奖、菲尔兹奖、沃尔夫奖、拉斯克奖等全球**科学奖项得主以及中国院士的纵论第四次科学革命，涉及基础研究发展、精准医疗、万物理论、人造器官、化学创新等方面，具体内容包括抗体疗法、体外诊断、超级抗生素、弦理论、万物理论、超级对撞机、脑机接口、智能医疗、人造器官、纳米机器人、化学创新等。

本书系第三届“世界**科学家论坛”嘉宾思想成果，包括了包括61位诺贝尔奖得主在内，近140位诺贝尔奖、图灵奖、菲尔兹奖、沃尔夫奖、拉斯克奖等全球**科学奖项得主以及中国院士的纵论第四次科学革命，涉及基础研究发展、精准医疗、万物理论、人造器官、化学创新等方面，具体内容包括抗体疗法、体外诊断、超级抗生素、弦理论、万物理论、超级对撞机、脑机接口、智能医疗、人造器官、纳米机器人、化学创新等。

王侯，资深媒体人，世界**科学家论坛发起人（WLF）、世界**科学家协会（WLA）秘书长。世界**科学家协会于每年10月底发起“世界**科学家论坛”，邀请一批诺贝尔奖、沃尔夫奖、拉斯克奖、图灵奖、麦克阿瑟天才奖等全球**科学奖项得主与中国两院院士、科学家，全球**青年科学家共同讨论人类当前与未来面临的科技挑战、人类命运的可持续发展等宏大主题，聚焦基础科学和源头创新，发布科技成果与思想理念。*

第1章　 新冠肺炎与百年变局：“第四次科学革命”临门之际如何“革命科学”

小分子药物会是新冠病毒的克星吗？

特朗普用了8克抗体

新冠肺炎绝不是普通感冒

糖基生物学——打开新的未知空间

转化医学——从根本上解决问题

纳米抗体——一喷就能抵抗病毒

确认神经是否受损，神经影像学来帮忙

用计算机开发无抗性的超级抗生素

究竟是谁把新冠病毒传染给人类？

“黄金纳米膜”——全新的监测技术

免疫疗法能用来治疗新冠肺炎吗？

如果下一次疫情来袭，人类该怎么办？

第2章　无用之大用：百年变局中激荡的基础科学研究新潮

人类未来将面临很多难题，基础科学研究可能是的解决途径

基础科学的进步缘何受阻？评价体系尚存偏颇，科研经费缺乏保障

基础科学出路何在？科学研究和人才培养“并驾齐驱”

如何在促进基础科学研究和国家科研战略之间取得平衡?人类命运互联，科学与人类互联

跑好这一代人的基础科学“寂寞长跑”

第3章　理科生的文章功夫：为什么自然科学研究离不开语言训练？

为什么数学家争取经费这么难？

多用语言，才能超越技术员

科研选题的能力，也从写作中来

科学家应该当“网红”

科学家沉默的代价是惊人的

突破“斯诺命题”，写作课是好办法

公众不理解，学科难发展

中国学生应该多问

第4章　“宇宙之弦”：探索终极的万有理论

探索宇宙的终极奥秘

绚丽的“宇宙之弦”——弦理论的诞生与发展

突破通往*终答案的瓶颈——超级对撞机与弦理论的前沿

对宇宙奥秘永不停息的追求——弦理论的未来

第5章　 从“对症下药”到“精准改善”：新概念与新医疗的无限未来

一点一滴推进医疗的“分辨率”

当“电脑”榫接人脑——智能医疗的“道”与“器”

沟壑与桥梁——通向“高科技水平医疗”

一切的一切还是为了更幸福的人

第6章　从人造机器人走向“再造人”机器人

人造器官时代即将到来

在未来，人脑将与AI联手

自主系统是机器入侵人类领地的步吗？

强人工智能真的制造不出来吗？

脑机接口也可以用光

纳米机器人目前仍难以用于治疗

医疗机器人面临的十大挑战

人类有责任让人工智能为人类服务

第7章　化学创新如何让世界“可持续”和“更美好”

“绿色”变革不只是可敬的理想，也是现实的必需

化学创新与化学应用的“再出发”

一张元素表的“跨界”

第8章　新冠肺炎疫情催化“长期不确定性”与经济学家的创新应对

疫情之下的“经济不确定性”

肆虐全球的新冠肺炎疫情正像令人恐慌的战争

疫情放大了生产过程中的数字化特征，加速了数字化趋势

 “人口老龄化”与女性劳动参与率持续下降

创新会使世界变得更“尖”吗？

第9章　挑战孤立主义：用相向而行的科学理性为国际不信任释压

新冠肺炎疫情既触发“逆全球化”，也使科学家们更坚定开放合作的信念

整体危机之下没有人能够独善其身

科学无国界：世界**科学家论坛的庄重宣誓

科学进步无疑需要开放的沟通生态

全球化受益者正在坚守“科学相向而行”

本书系第三届“世界**科学家论坛”嘉宾思想成果，包括了包括61位诺贝尔奖得主在内，近140位诺贝尔奖、图灵奖、菲尔兹奖、沃尔夫奖、拉斯克奖等全球**科学奖项得主以及中国院士的纵论第四次科学革命，涉及基础研究发展、精准医疗、万物理论、人造器官、化学创新等方面，具体内容包括抗体疗法、体外诊断、超级抗生素、弦理论、万物理论、超级对撞机、脑机接口、智能医疗、人造器官、纳米机器人、化学创新等。

王侯，资深媒体人，世界**科学家论坛发起人（WLF）、世界**科学家协会（WLA）秘书长。世界**科学家协会于每年10月底发起“世界**科学家论坛”，邀请一批诺贝尔奖、沃尔夫奖、拉斯克奖、图灵奖、麦克阿瑟天才奖等全球**科学奖项得主与中国两院院士、科学家，全球**青年科学家共同讨论人类当前与未来面临的科技挑战、人类命运的可持续发展等宏大主题，聚焦基础科学和源头创新，发布科技成果与思想理念。*

绚丽的“宇宙之弦”——弦理论的诞生与发展

20世纪60年代，当约翰·施瓦茨还在哈佛大学就读时，科学家们早已了解宇宙的四种基本力：引力、弱相互作用、电磁力以及强相互作用。但是，对于宇宙这四种基本力和它们之间的相互作用都没有完美的解释，无论是卡鲁札、克莱因还是爱因斯坦，都没能建立一个囊括一切所知的物理现象的理论，就是人们通常所说的大统一理论。

1968年，意大利物理学家加布里埃莱·韦内齐亚诺（Gabriele Veneziano）独辟蹊径，构造了一个函数来描述强相互作用过程中的一些散射情况，这造就了现今的弦理论，为人们理解和接近大统一理论打开了一道大门。弦理论的野心很大，它试图解释基本粒子和四大基本力的联系以及量子力学和广义相对论之间的矛盾，成为爱因斯坦穷极一生都没有找到的“万物理论”。于是，它一经问世，便像救世主一般得到了全球大统一理论研究者的极大重视。这一理论真正对爱因斯坦的相对论进行了改良，并且能够更好地解释宇宙的本源。如果我们的宇宙是一个具有多重维度的薄膜，在高维空间中运动，那么宇宙大爆炸就可能是我们的宇宙与另一个平行宇宙发生碰撞的结果。这种碰撞可能会反复发生，宇宙中的星系会沿着沙漏状的路径在平行时空中来回穿越。

具体来说，弦理论是一个现实的理论框架，其基本概念是：宇宙的基本组成部分并不是点状的粒子，而是一维空间的不断振动的细长物体，就像琴弦一样。在数量众多的基本粒子中，每一种基本粒子的性质都十分独特。对应地，在弦上可能反映出不同的振动频率。这样简单的理论是如何解释粒子之间的复杂的相互作用的呢？把量子力学应用在振动的弦上，就能够表现出全新的性质。这些弦和小提琴的琴弦并无实质的区别，振动在弦上以光速向前传播。不管是对量子物理理论还是对宇宙学来说，这些发现都能带来重要的启示。

约翰·施瓦茨（John Schwarz）是幸运的，他在弦理论诞生之初就投入了这一领域的研究。施瓦茨把弦理论引入夸克模型，认为夸克之间靠一条弦连接着。夸克模型中有一个物理现象，描述了夸克不会单独存在，而由于强相互作用，带色荷的夸克被限制与其他夸克在一起，使得总色荷为零，这一现象被称为“夸克禁闭”。利用弦理论来解释夸克为什么“禁闭”，施瓦茨说，因为夸克之间是由弦连接的，这个力巨大到无法将它们分开。在这一时代，弦理论还涉及了“高维空间”和“平行宇宙”等更多更复杂的理论，令全球的科学家非常向往。无数科学家想要在弦理论的相关研究中做出成绩，在当时，人们认为只需要研究出合理的理论，甚至不需要完全证实，就很有可能拿到诺贝尔物理学奖，所以研究人员的热情极高。

虽然弦理论诞生了，但这一理论的发展并非像人们设想的那样顺利。因为在很长一段时间里，人们并未真正严肃而认真地对待这一激进而玄妙的理论。尔后兴起的量子色动力学（QCD）则逐渐成为学界的主流，大卫·格罗斯（David Gross）等人也因在该领域的建树而获得2004年诺贝尔物理学奖。这主要是由于当前弦理论研究还处于理论阶段，很少有研究能将这一理论与实验联系起来，相关研究设备也不完善，预计弦理论在未来一段时间内也难以被证实。所以，就现有条件研究弦理论，被一些科学家认为是操之过急。

在我们熟悉的美剧《生活大爆炸》中，男主角谢尔顿曾经一度放弃了弦理论的研究，但是*终又重启了。谢尔顿说：“费曼曾经说过，他干物理这一行，不是为了名声或者金钱，只有当我们不再对物理充满激情的时候，物理学才真正死了。”这种信念也真真实实地存在于现实中，施瓦茨就是那个对弦理论一直饱含热情、从未放弃的研究者。在20世纪70年代初，许多研究人员停止了对弦理论的研究，研究团队从几百人缩减为几人，很多学者转而研究其他一些领域。1969年，诺贝尔物理学奖得主、夸克模型奠基人默里·盖尔曼（Murray Gell-Mann）表示很同情那些弦理论研究人员，因此在美国加州理工学院设立了一个“濒危弦理论研究人员保护区”，从而使得像约翰·施瓦茨这样的科学家不至于失业。但在施瓦茨看来，弦理论仍是非常美好的理论，他执着于这个领域。

在20世纪80年代，施瓦茨在弦理论上的耕耘终于有了新的成果。他与英国伦敦大学玛丽皇后学院的教授迈克尔·格林（Michael Green）在1984年确定了超弦理论的维度是九维，并存在三十二维的旋转对称性。这个重大发现引发了次超弦理论革命。此后，超弦理论成为超级热门的研究课题。弦理论领域不断出现令人激动的新发现，由此有更多人参与到这个理论的研究中。

次超弦理论革命后，超弦理论领域产生了五种不同的九维的超弦理论，虽然它们之间并不存在矛盾，但物理学家仍不满意。在追求大统一理论的道路上，存在五种理论的超弦理论不够完美。1995年，普林斯顿大学的爱德华·威滕（Edward Witten）教授掀起第二次超弦理论革命。他在加利福尼亚大学举办的超弦理论国际会议上指出，这五种超弦理论其实是一个理论的五种化身。统一五种超弦理论的是“M理论”。威滕没有为它具体命名，他表示：“M的意思可以根据个人喜好理解为Mystery（谜）、Master（统治者）或者Mother（母亲），都没有关系。”在“M理论”诞生之后，1996年哈佛大学的安德鲁·斯特鲁明格（Andrew Strominger）和卡姆朗·瓦法（Cumrun Vafa）发现通过“M理论”计算的黑洞熵符合霍金的预测，至此人们更相信“M理论”能解释宇宙的本源。几十年来，物理学家一直梦想着的可解释一切的“万物理论”似乎有了正确的方向。

在施瓦茨看来，弦理论是一个像冰山一样的理论，因为在海洋表面冰山一角的下面、在深不可测的海底，还有各种各样令人兴奋的内容等待人们去发现。大家都无法做出预测，需要去做更多的研究来挖掘这些信息。所以，弦理论令人激动的地方在于，当人们越深入地研究这个理论，就越清楚它的价值所在。弦理论的一大价值，就是它包含了很多我们之前无法解答的问题的答案。

如果说20世纪是物理学的时代，那么21世纪就是生物学的时代，尤其是人类生物学。

——罗杰·科恩伯格（Roger Kornberg，2006年诺贝尔化学奖得主）

未来跨国界沟通交流将变成常态，青年科学家和**科学家面对面的机会更多，科学家们的经验可以相互补充、相互学习，共同实现技术变革。

——朱棣文（Steven Chu，1997年诺贝尔物理学奖得主）

20世纪，医学已经实现了诸多变革——疫苗、抗体、成像、外科手术、器官移植等都是20世纪医疗革命的产物。而现在，医疗革命指向的是个人医疗、个性化医疗以及精准医疗。

——阿龙·切哈诺沃（Aaron Ciechanover ，2004年诺贝尔化学奖获得者）

所谓“绿色化学”不仅是无毒无害的，也是能够以温和与高效的反应实现“可持续”理想的。

——约翰·哈特维希（John Hartwig ，2019年沃尔夫奖得主）

我们需要更有能力的机器人，而不是取代人类的机器。

——拉吉·雷迪（（Raj Reddy ，1994年图灵奖得主）

弦理论令人激动的地方在于，当人们越深入地研究这个理论，就越清楚它的价值所在。

——约翰·施瓦茨（John Schwarz ，2014年基础物理学突破奖得主）