作者:夏文燕 孙虎 来源:光明日报 发布时间:2011-8-22 14:00:16
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白春礼讲物质科学:宏观与微观密切联系

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。(漫画:夏夜佳茗)
 

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。
 
编者按
 
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(8月22日),光明日报编发的这篇文章,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!
 
 
 
 
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