白春礼为我们讲物质科学

2011年08月22日　来源： 光明日报

纳米技术(nanotechnology），也称毫微技术，是研究结构尺寸在0.1至100纳米范围内材料的性质和应用。纳米技术是一门交叉性很强的综合学科，研究的内容涉及现代科技的广阔领域，主要包括：纳米体系物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学、纳米加工学、纳米力学等。面对印刷业对资源的浪费和环境的污染，物质科学在纳米尺度的研究基础上，将一种纳米绿色制版技术提上研究日程。

科学家表示，量子密码将让再高明的“黑客”也只能望而兴叹。从理论上来说，量子计算机能够确保通信的绝对安全保密，因为使用任何物理定律所允许的窃听手段都会被发现，而量子的不可克隆性质决定了量子密码的绝对安全性，量子密码提供了一种不可窃听、不可破译的新一代密码技术。

在宇宙学中，暗物质是指那些不发射任何光及电磁辐射的物质。人们目前只能通过引力产生的效应，得知宇宙中有大量暗物质的存在。暗物质存在的最早证据来源于对球状星系旋转速度的观测。现代天文学通过引力透镜、宇宙中大尺度结构形成、微波背景辐射等研究表明：我们目前所认知的部分大概只占宇宙的4%，暗物质占了宇宙的23%，还有73%是一种导致宇宙加速膨胀的暗能量。图为科学家绘制出的宇宙暗物质三维数字分布图。

　未来科技的发展将给人类带来什么样的变化？公众对此充满遐想。

　　在今年举行的第三届江苏省青年科学家年会上，中国科学院院长白春礼院士作了题为《科学发展与物质科学变革性研究》的特邀报告,他带领与会者走近物质科学发展的前沿——未来，由物质科学前沿突破推动的种种神奇的变革性技术将百花盛开，为人类的未来生活带来便捷。今天，我们编发的这篇文章，对白春礼的报告做了解读，希望让广大读者分享这份“科普大餐”。

　　纳米绿色制版：

　　引领印刷业技术新变革

　　物质科学大显身手的地方有很多，不仅仅局限在科技领域，同样引领文化的传承与发展。也许这会让人疑惑，一向分门别类的科学事业和文化事业，怎样在物质科学前沿技术的发展下，统筹前行，共促发展呢？中科院院长白春礼为我们指点迷津。

　　文字传承文化，活字印刷术被誉为我国古代最具影响力的四大发明之一，这是印刷行业的第一次飞跃。二十世纪，第一台汉字激光照排机诞生，我国重大工程技术成就——激光照排技术实现了我国印刷技术跨越式发展。

　　虽然激光照排技术比古老的铅字排版工效至少提高5倍，被印刷业广泛应用。但是这种技术也不是十全十美的。白春礼指出，因为激光照排是将文字通过计算机分解为点阵，然后控制激光在感光底片上扫描，用曝光点的点阵组成文字和图像，带来的废液排放严重污染自然环境。无论是激光照排技术，还是现在流行的计算机直接制版技术（CTP技术），其基础都是感光材料预涂层及感光成像技术。

　　面对印刷业对资源的浪费和环境的污染，物质科学在纳米尺度的研究基础上，将一种纳米绿色制版技术提上研究日程。白春礼介绍说，这种纳米制版技术不避光、低成本、无污染、高度自动化，将解决目前感光化学成像带来的污染和浪费问题；这种直接物理成像过程大大简化了工艺流程，降低了成本，也使印刷的控制变得更加简单、方便和高效，真正实现了直接制版的绿色数字化时代；纳米粒子有效增强转印材料的耐摩擦性，可同时避免微米颗粒复合引起的打印头堵塞及分辨率低等问题，纳米科技的应用，不仅大大提高了耐印力，而且有效地提高了影像的精度。不需要感光成像、不会污染环境、印刷流程缩短……

　　由物质科学纳米尺度研究领域，催生出以“非感光、低成本、无污染、高度自动化”为特征的纳米绿色制版技术，将推动我国印刷行业的技术进步，成为取代激光照排和计算机直接制版技术的前沿印刷制版技术。

　　量子密码：

　　未来网络通信安全守护神

　　二十一世纪的今天，我们过多地依赖网络去工作和生活，网络通信、电子商务、电子金融……大量敏感信息通过网络去传播，为了保护个人信息的安全性，防止被盗和篡改，信息加密成为解决问题的关键点。有没有绝对可靠的加密方法？加密密钥被窃取或破译的可能性有多大？在物质科学量子尺度的研究领域里，量子密码研究给了我们一个很好的答案。

　　白春礼指出，经典的保密方式理论上已经被证明是可以破解的，而基于量子学原理的保密方式，则在理论上是不可破解的。量子密码术是密码学与量子力学结合的产物。这种加密方法是用量子状态作为信息加密和解密的密钥。简单来说，量子加密就是利用具有特殊量子性质的光子产生密码的技术，量子的一些神奇性质是量子密码安全性的根本保证。

　　他举例说，2004年在北京与天津之间成功实现了125公里光纤的点对点的量子密钥分配，解决了量子密码系统的稳定性问题。2007年，在北京商用光纤上实现了40公里范围内四用户的城域量子通信网络。2009年国庆60年庆典，在关键区域之间也构成绝对安全的实时语音加密量子通讯热线，保证了信息传递的安全和准确性。

　　量子通信技术的发展，让人们看到了信息安全的曙光，但是白春礼同时指出应用的一个难题：光纤存在固有的光子损耗，所以光量子传输难以通过光纤向远距离拓展。因为近地面自由空间通道会受地面障碍物、地表曲率、气象条件的影响，因此光量子传输难以在地面自由空间中向远距离拓展。但在自由空间中，环境对光量子干扰极小，如果光量子穿越大气层进入外层空间，损耗更接近于零，所以利用卫星平台，克服地表曲率的量子通信技术已经在研究之中。

　　微观物质研究：

　　解密奇幻未知空间

　　宇宙是怎样形成的？通过将高度活跃的质子以超快速度撞击到一起，可以上演微缩版的“宇宙大爆炸”。以“小”见“大”，两颗微小的质子竟能揭示宇宙起源的奥秘，这正如白春礼所说，在物质科学的研究中，宏观、微观是有着密切联系的。

　　物质科学中，还有空间尺度和未知尺度的研究。空间尺度研究的基本科学问题，是天体提高分辨率观测方法，天文甚长基线干涉技术推动了我国探月工程的进程；在未知尺度领域里，暗物质和暗能量的发现，大尺度的天文观测技术和微观粒子的实验探测，将使物质世界得到全新认识。

　　在谈到未知尺度的研究时，白春礼指出，暗物质和暗能量是二十一世纪最大的科学之谜，暗物质存在于人类已知的物质之外，已知物质的能量和暗物质的能量相比小于三分之一。暗物质的问题源于天文观测，但最终解决则依赖于物理学与天文学的结合，它是天文学与物理学的交叉与融合的前沿。

　　从宇宙、地球、分子、原子、电子到物质结构，对物质科学的深入认识，将拓展对已有重要科技概念的理解，开辟新的研究领域，萌芽若干变革性科学技术，进而带动行业和产业的发展。

　　这一定是一个神奇的过程！（夏文燕 孙虎）