从北斗到探月 2020成中国科技成果爆发年

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中国航天科技集团微信公众号北京时间12月28日凌晨发布消息:12月27日23时44分,长征四号丙运载火箭在中国酒泉卫星发射中心点火起飞,成功将遥感三十三号卫星及微纳技术试验卫星送入预定轨道。这次任务也是2020年中国航天的收官之战。不过,包括地空信息传输在内的中国高科技快速发展,可能刚刚起步。

北京时间2020年12月17日凌晨,嫦娥五号返回器携带月球样品,采用半弹道跳跃方式再入返回,在内蒙古四子王旗预定区域安全着陆。(新华社)

中国科研人员所称要把美国对华技术“卡脖子”技术清单变成科研攻关清单并非狂言。整个2020年,中国在探月工程、火星探测、卫星导航、载人深潜、量子研究、数据库技术替代、核聚变技术国际参与以及中微子实验和芯片制造等领域,均有亮眼表现或重大国家战略部署。

最引发全球关注的当然是嫦娥五号的探月携带月壤归来。(详见《中国科技2020|北京谋太空宏图 五星红旗插上月球掀探月巨变》北京时间12月17日凌晨1时59分,中国嫦娥五号探测器携带月球土壤在内蒙古四子王旗着陆场着陆。这是1976年前苏联发射的无人探测器“Luna 24号”后,44年来首次成功实现月球采样返回。

作为富饶的“矿场”、理想的“太空补给站”,月球对人类有着天然的吸引力。中国探月工程自2004年1月立项并正式启动以来,已连续成功实施嫦娥一号、嫦娥二号、嫦娥三号、再入返回飞行试验和嫦娥四号五次任务。嫦娥五号带回的月壤新样本预计可以给中国科学家提供理解月球地质、早期历史的信息。世界多国的登月计划也再次竞相展开,包括1969年曾实现人类登月的美国,由其主导的、计划2024年再次载人登月的阿尔忒弥斯计划(Artemis program)目前备受关注。不过,最近20年稳步积累实际成果的中国在月球探测上处于全球领先地位已经毋庸置疑。

2020年10月9日23时,在飞行控制团队控制下,中国“天问一号”探测器主发动机工作480余秒,顺利完成深空机动。此次轨道机动在距离地球大约2,940万千米的深空实施。(中国央视截图)

实际上,2020年中国引人关注的太空任务有两项。除了嫦娥五号登月,7月23日中国成功将进行火星探测的“天问一号”探测器送入预定轨道,成为中国航天走向深空的重要里程碑。(详见《中国科技2020|逆袭与抢滩 火星计划背后的中国太空野心》“天问一号”探测器预计将在2021年2月份中国传统节日春节前后到达火星附近,完成火星捕获后进入环火轨道,并择机展开着陆、巡视等火星科学探测任务。其既定目标是寻找当前和过去生命的证据,并评估行星的环境。在火星探索上,目前只有美国、苏联、欧洲航天局和印度成功地将航天器送入火星轨道。中国很快会成为第五个到达火星的国家和地区。

美国商务部长罗斯(Wilbur Ross)12月16日在为SpaceNews杂志撰写的文章中称,“西方国家与中国的太空竞赛正在加剧,美国必须保持自己的太空优势”。中国让美国警惕的不仅是月球和火星探测等工程。作为对美国全球定位系统(GPS)的回应,中国自主建设的北斗卫星导航系统,也在2020年全部建成。

中国北斗卫星导航系统模型。(视觉中国)

6月23日,中国成功发射北斗三号最后一颗全球组网卫星,标志着北斗系统全部建成实现全球服务能力。(详见《中国科技2020|美国三次刺激催生的北斗系统》卫星导航系统最早源自军事需求,但其作用远远不止军事领域。在交通、农业、林业、渔业、电力、金融、公共安全、防灾救灾等诸多领域卫星导航都扮演着重要的角色。对于中国来说,北斗覆盖全球最重要的意义在于使中国避免在军事、高科技和外交上被美国卡脖子。

除了向上的太空领域,向下的海底探测同样有不可磨灭的中国印记。(详见《中国科技2020|奋斗者号挑战深渊 中国收获的不仅是科学探索》2020年11月10日,中国制造的“奋斗者号”载人深潜器在马里亚纳海沟成功坐底海平面下10,909米,成为人类历史上第四艘抵达被命名为“挑战者”深渊的载人深潜器,也是其中能力最强、技术最先进的一艘。

中国的深海探索起步较晚,在1971年才成立了“深潜救生艇研制工作组”,此时距离1960年瑞士科学家研制的“的里亚斯特”号潜至马里亚纳海沟深处的10,916米已有10多年。近50年的追赶之后,中国载人潜水器抵达水下1万米,这不仅意味着中国相关工业技术的进步,也意味着人类对神秘水下世界的进一步探索与征服。当中国获得对水下世界的“通行证”后,将会从中得到多少收益?科学探索自然是其中一个方面,另一个方面则在于水下所蕴藏的巨大自然资源。

这些“上天入地”的探索工程,其应用价值和战略意义普通人都容易理解。相比之下,中微子实验、量子计算和“人造太阳”则显得比较“玄幻”。

新华社12月12日报道称,中国大亚湾反应堆中微子实验装置完成科学使命,当日正式退役。(详见《中国科技2020|探寻宇宙起源 中微子科研的中日美竞合格局》中微子是什么?报道称“中微子是构成物质世界最基本却也最神秘的粒子之一,蕴藏着宇宙的诸多奥秘。”2012年,大亚湾实验发现了一种新的中微子振荡模式,这一成果为研究宇宙起源、尤其是理解宇宙中“反物质消失之谜”提供了可能。下一步,中国中微子研究的重心将转移到广东江门,2021年年底前那里将建成全世界最大的液体闪烁体中微子探测器。正在建设中的美国的“沙丘”实验(DUNE)和已经建成的日本顶级神冈实验(HyperK)都与中国的科学目标非常相似。新一轮国际竞争正在拉开序幕。

12月初,曾经在量子通信领域研发全球首颗量子通信卫星“墨子号”的潘建伟团队公布了他们在量子技术的另一领域——量子计算所取得的成果。详见《中国科技2020|终极计算机之争》他的团队凭借成功构建76个光子的量子计算原型机“九章”,让中国成为继美国之后全球第二个实现量子霸权(Quantum Supremacy,量子计算优越性)的国家。当然,世界上远不仅仅只有中国和美国在量子计算机上研发上你追我赶,而竞争也不仅仅是在计算方法和运算效率,还包括硬件材料的准备等等。但是,中国和美国在过去的十年间快速累积量子技术的专利项目,并牢牢占据其中的亚军、冠军位置,优势是显而易见的。

上述各项高科技研究各大国竞争激烈,但是在被称为“人造太阳”的核聚变能量获取领域,因为科研难度和经费太过巨大,各国只能团结起来合作大于竞争。(详见《中国科技2020|“人造太阳”的中国力量 人类终极能源还有多远[图]》2020年7月28日,国际热核聚变实验堆计划重大工程安装启动仪式在ITER国际组织总部举行。这是中国以平等身份参加的最大国际科技合作项目。其中,中国承担了大约9%的采购包研制任务。多国合作研究的目标只有一个——通过地球上大量存在的燃料氘,模仿太阳核聚变反应然后获得巨大能量。如果能实现这一目标人类就能够彻底实现能源自由。

理想很美好,现实很骨感。地球上利用核聚变能量,要求在人工控制条件下等离子体的离子温度达到1亿摄氏度以上。而目前地球上最耐高温的金属材料钨的熔化温度是3,000多度。这意味着目前人类还找不到盛装如此高温等离子体的容器。

芯片领域不存在核聚变这样的难题,却让中美两国为此“大打出手”。(详见《中国科技2020|内忧外患不断 中国芯如何绝处逢生》5月15日美国宣布对中国电信公司华为实施新限制:所有使用了美国技术或设计的半导体芯片企业,未经美国允许都不可以供货给华为。感受到美国“卡脖子”尴尬的,不仅是华为而是整个中国芯片产业。为此中国国务院8月印发《新时期促进集成电路产业和软件产业高质量发展的若干政策》对集成电路进行扶持。中国政府还对符合条件的企业给予“十年免税政策”,集成电路行业人士称这是一次重大的政策利好,然而中国芯片行业人才缺失和部分企业为了获取政府补贴而“滥竽充数”现象依然存在,中国芯片行业要出人头地仍然前路漫漫。

相对于华为停供引发舆论对中国芯片制造技术的高度忧虑和关注相比,数据库管理系统(DBMS)是容易被忽略实际上却非常重要的技术。(详见《中国科技2020|大数据背后的大国较量 Oracle技术霸权被谁破局》在美国甲骨文(Oracle)数据库几乎垄断中国市场的背景下,大到整个国家的金融系统运行,小到电子商务的后台运行,中国无论是要在中美竞争中打破美国的科技围堵,还是自身要全面推进数字经济转型升级,数据库技术的突破都显得关键且迫切。

值得庆幸的是,中国开发的数据库系统已登上历史舞台。2020年5月20日,数据库“世界杯”TPC-C公布,中国国产分布式数据库OceanBase运行速度较2019年大幅提升11倍,打破自己保持的世界纪录,获得7.07亿tpmC的超高性能得分。一年前,OceanBase数据库以两倍速度打破全球数据库霸主——美国Oracle公司保持9年之久的世界纪录。业内人士普遍认为,美国对华35项“卡脖子”技术清单可以因此划掉一项。因为在一百多款中国国产数据库流行度排行榜上,OceanBase甚至只占据第四名的位置。这表明,在新的数据库“世界大战”面前,中国已经有了自己的底气。

中共一年一度的年终经济工作会议显示,2021年经济工作八项重点任务中两项都是关于科技创新的,一是基础研究“强化国家战略科技力量”;二是核心技术“增强产业链供应链自主可控能力”。(中国央视新闻视频截图)

回首这一年,流传全球的新冠肺炎疫情无疑成为一切事和物的背景。疫情的黑天鹅之下,全球经济遭遇系统性寒冬,中美矛盾加大从贸易战延展至科技战。无论是上半年对拥有5G技术优势的中国高科技企业华为的全面封杀,还是下半年对广受欢迎的短视频应用TikTok和其他中国应用采取行动,白宫的打压和围堵都让中南海进一步意识到,后疫情时代混乱的世界格局下,唯有“科技兴国”才能让中国获取制高点。

整个2020年,中共总书记习近平多次在公开场合警告,外部市场风险增加使中国面对“剧烈变化时期”,他在强调依赖内循环促进增长的同时强调了本土科技创新的重要性。12月18日闭幕的中共中央经济工作会议上,“强化国家战略科技力量”被列为2021年经济发展八大重点中的第一条。中共直言“要发挥新型举国体制优势,发挥好重要院所高校国家队作用,推动科研力量优化配置和资源共享。”如此,中国或将迎来更大的科技成果爆发期。

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