哪些科学技术一旦获得突破,将会让人类文明实现飞跃?为什么?

在过去的一百多年里,理论基础科学并没有太大的突破,这不禁让人感慨:在距离1666年牛顿奇迹年1905年爱因斯坦奇迹年的354年、115年后,今天的科学是否走到了一个临界点。

而众所周知,科学技术是第一生产力,社会的进步更离不开科学的推动。今天的社会之所以发展到史无前例的高度,跟前人为我们建立起来的近乎完善的科学理论体系不无关系。

如今,一些科学技术在人类的探索中缓慢前行,然而一旦获得突破,将让人类文明实现飞跃。今天,科学艺苑就列举几个这样的技术。

可控核聚变

自工业革命以来,能源问题一直是人类关注的一个重大问题。从之前的化石能源到如今太阳能、风能等清洁能源,人类从来没有放弃对清洁、高效能源的探索。

然而,直到今天人类依然离不开化石能源,由于化石能源在地球上储量有限,科学家估计,如果人类迟迟无法在能源方面有所突破,到了本世纪末,能源问题将成为人类最大的难题。

合理使用核能是解决这一问题的主要突破点。人类从上个世纪中期就开始研究建立核电站,但目前人类所掌握的商用核技术仅仅是核裂变技术。

跟核裂变相反,核聚变是两个原子核聚合为一个原子核,并释放出大量能量的过程。太阳的能量就来自于氘与氚的聚变,而核聚变已经在太阳上持续了50亿年。

也正是因为与太阳一样的原理,可控核聚变被人们称为人造太阳,实际上,氢弹爆炸也是一种核聚变技术。但是,科学家们希望能够通过有效控制核聚变发生的过程,让能量持续稳定的输出以利用。

核聚变跟核裂变比有很多优点。

首先,地球上蕴藏的核聚变能比核裂变能丰富得多。据科学家估计,海水中拥有45万亿吨的氘,地球上蕴藏的核聚变能约为蕴藏的可进行核裂变元素所能释出的全部核裂变能的1000万倍,可以说是取之不竭的能源。

其次,它既不会释放污染性气体,也不会产生核裂变所出现的长期和高水平的核辐射,因此核聚变干净又安全。

实际上,我国的可控核聚变技术目前处于世界领先的地位,其中位于合肥的EAST反应堆是世界上第一个达到实用工程标准的反应堆,也许我们距离可控核聚变的商业时日已经不远了。

超光速飞行技术

浩瀚的宇宙一直是人类探索的目标,但是受目前人类飞行器速度的限制,我们对宇宙的认识还远远不够。爱因斯坦曾告诉我们,任何有质量的物体速度都不可能超过光速。然而即使我们以光速飞行,能够探索的宇宙范围也是非常有限。

那么,光速是否可以超越呢?事实上,光速并不是不可以超越的,宇宙中并不缺少超光速现象,例如,宇宙膨胀速度就远超光速。

目前,科学家提出了三种可能超越光速的技术。

一、“曲速引擎”技术,宇宙并不是真空的,它可以看成一个有弹性、可伸缩弯曲的物质,可以发生动态的时空扭曲,曲速引擎就是利用时空的这种伸缩性,让飞船可以在时空结构中“超光速”飞行。在不少的科幻作品中曾多次出现这种技术的应用,它也是目前科学家实现超光速飞行技术的主要研究方向。

二、量子纠缠技术,微观世界的两个相互纠缠的微小粒子,即便分开到相聚十分遥远的两个地方,如果其中一个粒子的状态发生变化,另一个粒子能在瞬间感应到它的变化,并做出相应的改变,感应的速度是瞬间的,这种现象被称为“量子纠缠”,也有人称这种现象为“幽灵般的超距作用”。这种超光速现象为人类实现超光速飞行开启了一扇新的大门。

三、虫洞穿梭技术,根据相对论,质量或能量足够强大,就有可能在宇宙时空中打穿一个洞,连接起两个遥远的宇宙空间,通过它就可以快速到达目标,实现超光速飞行。也就是说,通过虫洞连接起不同的时空,人们可以轻易的到达几万光年外的时空。

不过,想要打通虫洞,需要极其大的能量,以人类现在的技术根本做不到,或许将来的人类方法获得更强的能量后可以实现。

常温超导体

从1911年科学家首次发现了超导现象,经过100多年的发展,超导体的温度提高到大约140K,并逐渐开始商用,但是超导材料所需的超低温条件依然极大的限制了其应用范围。

超导体就是低于某温度时电阻为零的导体,除了超导性,超导体还有完全抗磁性的特性。那么加入常温超导体实现后,将如何改变我们的生活呢?

首先,由于常温超导体在室温下没有电阻,因此日常家用电器对于电的消耗将消失。因此各种电器的性能、用电的效率会有质的提升,更多的精细电元件会应用到我们的生活。同时,速度极快的超导计算机和量子计算机将成为可能。

其次,将常温超导体作为发电机的绕组,可以将发电损耗降到最低,使得发电变得更加容易。由超导材料制作输电线可以把电几乎无损耗地输送给用户,而要知道,目前的铜铝导线输电,约有15%的电能损耗在输电线路上。

再次,由于超导材料的抗磁性,将超导材料放在一块永磁体上方,由于磁体的磁力场不能穿过超导体,磁体和超导体之间会相斥,使超导体悬浮在磁体上方。高速超导磁悬浮列车正是利用这种磁悬浮效应实现的,常温超导体的突破将使得磁悬浮交通得到更广泛的应用。

总结

实际上,还有像强人工智能、干细胞治疗、量子通讯等技术,一旦有所突破,同样能够深深地影响我们的生活,由于篇幅有限,我们就先列举以上这些。

关于那些能够改变人类进程的科学技术,大家还想到了哪些,欢迎留言讨论。

绝对是可控核聚变反应堆!

目前,美国和中国都正在花费巨大的人力物力刷这个科技树。可以说,一旦掌握这个技术,人类将得到近乎零成本的清洁能源,势必将引发第四次工业革命,然后会形成以核聚变电厂为中心的工业辐射状发展,引领社会变革。

现在社会上的很多问题,归根结底都是能源问题。现代社会直接在能源方面的消费,能占到社会所有消费的40%到50%,假如我们有了又多又便宜的能源,直接表现是我们身边各类工业用的原材料都会变得很便宜(因为比如像金属冶炼等都是能源消耗的大老虎)。

我们开开脑洞,假如我们有了可控可持续核聚变反应堆,我们可以拿它来做什么:

1:解决淡水荒的问题: 我们完全可以通过电解海水的方式来获得纯净的淡水,甚至污水处理厂都可治这么干,不仅解决了污染问题,还实现了城市中水的无限利用,沙漠地区可以用大功率制冷装置来让空气中的水蒸气凝结,我们将解决缺水的问题。

2:无线供电技术的普及: 我们周围所有的用电器甚至汽车都可以通过无线来供电,尽管这种供电方式的效率很低,但我们的电多的用不完啊。

那时候,我们的各类手持设备移动终端,只要在基础设施建设良好的城市里,就不需要充电,由于没有电池这个瓶颈的限制,很多移动终端性能可以做的非常强大。

我们的家中的家用电器,也不再需要通过电源线来供电(此处参照刘慈欣的《三体黑暗森林》中的一段,连水杯都有加热功能)。

汽车可能以基本不需要加油了,因为只要有公路的地方,道路两旁就有微波电力辐射的装置。

3:粮食的工业化生产: 我们可以用便宜的原材料建造粮食工厂,再用便宜的电能来制造强光,高密集度的种植粮食作物,粮食成本也会变低。

…….

如果中国有了这项技术,画面太美好,不敢想像。

人类文明的进步往往是建立在科学技术发展之上的,科技的重大突破甚至能够给人类带来新的产业革命,将人类的文明快速向前推进。历史上,蒸汽机的发明与改进促成了第一次产业革命的发生;发电机、电动机等电力设备的发明促成了第二次产业革命的发生。第三次、第四次产业革命也是由科技的重大突破催生出来的。

一般而言,人类很难准确预测下一次产业革命会是由怎样的科技突破催生出来的,不过可以大体知道一项技术的突破能够产生怎样的影响。可以推动人类文明发展的重要技术有很多,这里简单地提几个:

1.电池

锂电池的发明者已经获得了诺贝尔化学奖。锂电池的出现为人类进入信息时代发挥了非常重要的作用,若是没有锂电池,你的手机可能会有砖块那么大,并且安全性也没有太好的保障。可是锂电池仍然满足不了人类对电池的需求,汽车产业有朝着以电力作为动力来源的趋势方向发展,而锂电池难以作为动力来源规模化地用在汽车产业上。目前比较有潜力的是氢燃料电池,也许这种电池能够给人类带来一次电池方面的革命,进一步推动其他产业的发展。

2.可控核聚变

很多年前,人类就为实现可控核聚变努力着,并且在托克马克、仿星器中取得的成果已经让人看到了希望。一旦实现了可控核聚变,能源问题就可以在很长一段时间内得到根本性的解决。

3.免疫细胞治疗、干细胞治疗

大约有三分之一的人在一生中会遭遇癌症。癌症之所以难以被攻克,一个主要原因是免疫系统不会将其视为另类。通过调控人体的免疫系统,使其对肿瘤细胞进行精准的应答,就能够实现抗肿瘤的目的。目前这一技术已经有了快速发展。干细胞法治疗疾病也有了越来越多的临床应用。

4.量子技术

上世纪是量子力学建立以及催生半导体等产业发展的时期,本世纪里量子技术有望进入突飞猛进的快速发展期。量子技术目前主要在量子通信、量子计算、量子精密测量领域小试牛刀。虽然是身手小试,可做出的工作却是传统技术所难以实现或无法实现的。中国的量子通信技术已经有了应用,谷歌也实现了“量子霸权”,量子技术会在本世纪对人类的文明发展产生巨大影响。

凡是能将现在处于“科技难关”或“科技瓶颈”的科技项目实现突破,就会让人类文明实现飞跃。

就现在的科学技术平台,有如下一些科学技术项目或领域,一旦获得突破,将会让人类文明实现飞跃:

首先,在普通能源领域,如果能将空气或水中所含太阳能直接转化成旋转机械能,则在人类的日常工业和生活中,将终止“能源危机”及其威胁,将会使人类有取之不尽、用之不完的清洁、安全、低廉的能源。

该技术已被最新发明《喙轮全热动力发动机技术》获得突破,只需要国家层面进行产业化推广即可。

该技术可应用于:电力发电100%取代现在的火力发电;汽车运输(含客运和军用)可实现100%替代现在的柴油机、汽油机等系统;船运(含客运和军用)可实现100%替代现在的柴油机、汽轮机系统。最终效果是使这些领域的矿物能源消耗为零,污染为零,技术成本降至原来的20%以下。

其次,在分子生物学领域,如果能实现将现有(人或者动物、植物)的基因(DNA)缺陷进行人工修复或治愈,将会实现:治愈癌症、治愈艾滋病、治愈积劳综合征、治愈先天基因缺陷的儿童或疾病等,以及更安全、营养、高产的食物,等等。

其三,在核聚变(人造太阳)领域,如果能实现连续稳定反应,并将其装置小型化到5吨以内,将会为人类遨游银河系提供充足的能源,让人类实现银河系内的太空探索、研究。

其四,在能量认识领域,如果认识了能量的本质,掌握了暗能量的规律、收集、利用的方法、工艺或装置,并将其装置小型化到5吨以内,将会为人类飞出银河系、遨游现在定义的“宇宙”提供充足的能源,让人类实现宇宙探索、研究。

我认为,一旦新能源技术获得突破,人类文明一定会得以“质”的飞跃。

这是因为在人类文明发展历史中的三次工业革命(飞跃)都离不开能源技术的突破:

第一次工业革命开始于18世纪中期,其“标志产品”是大名鼎鼎的蒸汽机,人类也正是由此而进入了机器时代。蒸汽机的驱动能源来自于煤炭,而煤炭的潜力也是随着钢铁和橡胶技术的突破而被彻底释放出来,当之无愧地成为第一次工业革命的“驱动能源”。

第二次工业革命开始于19世纪中期,有赖于新的炼钢、合金等基础化学和材料技术的关键突破,该次革命的“标志”被认为是电灯和内燃机。虽然电灯所使用的能源是电能,但是电能是二级能源;并且伴随着内燃机的出现,汽车、轮船、飞机等划时代的交通工具出现,它们主要依靠化石燃料——石油来驱动,因此,该次工业革命的“驱动能源”应当被锁定为石油。

世界第一台通用计算机ENIAC

第三次工业革命开始于20世纪中期,原子能、电子计算机、空间技术、信息技术、新能源技术、新材料技术、生物技术、空间技术和海洋技术等诸多领域都有了很大突破,其中最主要的“标志”被认为是电子计算机的出现。而电子计算机自发明至今也历经了三次技术突破:即电子管计算机、晶体管计算机和集成电路计算机。这次革命的核心之处是基于电能在高科技领域中的应用,故该次工业革命的核心驱动应当是电能。

进入了21世纪之后,人类的科技水平在诸多创新领域都获得了突破,如人工智能、新材料技术、分子工程、石墨烯、虚拟现实、量子信息技术、可控核聚变、清洁能源以及生物技术等,这次工业革命的能源标志是可控核聚变,这是因为我国的磁约束核聚变——全超导托卡马克装置(EAST)的实验攻克了稳态高功率加热(世界领先),将等离子体加热到1.6亿摄氏度(20s)和1.2亿摄氏度(101s)。

至此,很多人都认为核能(可控核聚变)技术的提升将是新能源技术的突破口,可是,要实现可控核聚变到成功发电可谓比人类登陆火星还要难上加难。

首先,核聚变的核原料的获取极为不易,拿地球上最理想的核聚变原料——氘和就氚来说,氘的优点是获取容易且价格低廉,但是氚就贵得离谱了,一公斤氚燃料要上亿美金。而且这一公斤氚燃料用来做实验还行,用来发电还是远远不够的。

抛开原料和钱的问题,最让科学家们头疼的是,氘-氚的聚变反应伴有高能中子辐照,以及高通量氘(D)氚(T)等离子体轰击聚变堆第一壁“钨装甲”的问题。

辐照引起的材料肿胀,左边为未辐照材料,右边是辐照过材料的

经过高能中子辐照之后,聚变反应堆的壳体“钨装甲”就会慢慢地像空心泡沫一样肿胀起来,这种尺寸的变化对正常服役的材料是致命的。除了辐照肿胀,材料中产生的大量缺陷也会影响材料的力学性能,使得材料变硬、变脆、更容易断裂,从而影响聚变堆的安全运行。

更为严重的是中子还会和各种金属材料进行核反应,改变材料的元素组成,例如钨会变成铼, 锇, 铪, 钽。时间一长,金属材料的组分会变得和一开始时完全不一样,这对聚变堆的影响也是非常大的。

那么,最理想的核聚变材料是让氦-3跟氦-3反应,这种核聚变完全不会产生中子。但是氦-3在地球自然界中的含量极为稀少,主要原因是由于地球大气层和磁场阻碍了太阳辐射中的氦-3原子到达地球。

因此整个地球上的氦-3元素,基本都是由氚核(超重氢)通过β衰变得到,而氚的丰度本来就稀少,所以地球上的氦-3元素更是少得可怜,提纯成本非常高,地球上能被人类利用的氦-3总量只有半吨左右。

月球土壤

但有意思的是,月球土壤中的氦-3就非常丰富,据估计,整个月球能被开采的氦-3元素高达100多万吨,如果全部用于核聚变反应,可为人类提供上万年的清洁能源供给。

我们试想一下,从月球上采集这种土壤需要付出多大的财力、物力和人力才能实现?



我们追溯地球上能源的由来,其实人类绝大多数的可用能源都是来自于太阳,包括石油、煤炭、天然气、甚至是食物(除了核能)。而地球就像是个特大号的“太阳能电池”,正可谓充电四十五亿年,却难以满足人类几百年的挥霍。

有意思的是,其实太阳能也是经过核聚变之后辐射出去的能量。

太阳是一个由气体组成的巨大恒星,其主要成分是氢气和氦气,当太阳内部发生核聚变时,会有四个氢原子聚合为一个氦原子,然而,这个氦原子的重量要比聚合前的四个氢原子加起来的重量要轻。

那么,根据能量守恒定律,这部分消失的重量,实际上转化为了辐射能,即太阳能。

太阳能的使用期限几乎跟太阳存在的时间一样长,这就告诉我们,太阳能是一种取之不尽,用之不竭,没有任何污染的能源。而且太阳能最大的优势就是永久免费不限量供应。

可是,即使太阳能资源总量相当于现在人类所能利用能源的一万多倍,但太阳能的能量密度低,而且它因地而异,因时而变,这是开发利用太阳能所面临的难题。

从理论上来说,人类的终极能源解决方其实有两个路径,一是可控核聚变,另一个则是建设太阳能空间电站。

这正是 “空间太阳能发电” 的概念。

简单来说,就是在距离地球3.6万公里远的太空轨道上布置巨大的太阳能电池阵列,把太阳光转换为电能,再通过微波或者激光的形式,把电能传输回地球,通过地表的天线接收、整流,最后输送到电网中。

在太空中一平方米的太阳能板可产生10到14千瓦的电力,其发电效率将是同等规模的地面太阳能发电站的35倍。

那么,在太空中只需要200万平方米的太阳能板就可相当于三峡发电站的装机容量了,其实200万平方米太阳能板的面积也就是两平方公里,把它发送到太空的设想还是可行的。因为我国正在设计的最新一代航空运载火箭——长征九号,能将140吨有效载荷送入近地轨道,同时具备50吨级地球同步轨道运力。

实际上,空间太阳能电站的难点在于如何实现远距离电能的无线传输。可以说,无线输电技术决定了未来空间太阳能电站的发展进程。

早在十九世纪,发明家尼古拉·特斯拉就有了这个崇高的理想:让地球上的所有人都能免费或低费使用“无线电能”。

在特斯拉的眼中,把电束缚在电线和电容里面,不仅会造成极大的损耗,还需要投入相当多的辅助设备,因此,特斯拉认为无线电能才是“电”的终极使用形式。

这并不是他的一种空想,特斯拉在很早之前就开始了无线电能的远程照明实验:他设计出一种无线传输电能的发送端和接收端,并实现了远距离隔空点亮电灯的实验。之后,特斯拉在纽约长岛兴建的沃登克里弗塔便是一套兼顾无线电广播和无线传输电能的巨大设备。

特斯拉认为,将地球电离层和大地之间的谐振频率(7.83HZ)激发出来,引发电离层和大地之间的空腔谐振,在不断激发它们达到共振的状态时,只要在发送端输入少量的电能,输出端的电能则会放大数亿倍,从而实现全球免费(或者极低成本)使用无线电能的目标。

那么,太空太阳能电站所使用的无形输电的核心技术——无线微波输电,比特斯拉的谐振原理要高效得多,因为微波具有可以穿云透雨的特性,所以更适合超远距离定向传输。

微波无线输电的原理是:将太空电站产生的电力通过转换器变为1~10厘米的微波,定向无线传输到地球上的电站后,使用可将微波能量转换为直流电的“微波整流天线”的装置后得到电力。

在空间太阳能发电这个领域,我国有着超前和远大的目标:

我国首个空间太阳能电站实验基地在重庆璧山正式开工建设

2008年,我国将空间太阳能电站研发工作纳入国家先期研究规划,力争在2030年开始建设兆瓦级空间太阳能试验电站,2050年之前具备建设3000亿RMB吉瓦级商业空间太阳能电站的能力。

若我国抢在美日和欧洲国家前面,率先建成空间太阳能发电站,将有可能拉动全球一大批工业科技创新成果,其意义不亚于美国的阿波罗登月。

我们先说说之前的人类关键性科技技术突破,让人类文明出现过的飞跃:

  • 电,电不仅在夜晚给人类带来了光明,还把人类的体力劳动和脑力劳动的效率成倍放大,使人类的力量有了电力能源的翅膀,有了电,人类才真正进入了信息时代。对于几千年的人类文明来说,完全可以划分为有电的时代和无电的时代两个科技分层。
  • 电子计算机和现代互联网,让人类进入全球化网络时代,催生出互联网经济,网络成为现代人日常的工具,生活中最重要的部分。
  • 汽车、火车、飞机、轮船这些现代交通运输工具,是真正全球化的基础。

而将来有什么科技一旦突破,将带给人类文明的飞跃,我认为有以下:

  • 能量远距离无线传输,甚至是星际之间的能量传输,对于能源科技方面的突破,大家往往都会认为是可控核聚变,而实际上这也是一种核能利用,原理并不复杂,困难在如何进行可控的核聚变反应,实现有价值的电力输出,其难点在于材料和工艺突破上,原理上并不算科学技术的重大突破。而太阳这样的恒星就是取之不尽的能源,如果实现星际能源无线传输,对人类的意义要远大于可控核聚变,毕竟地球上的资源是有限的,而相较于太阳和更大的银河系,才是真正有取之不尽的能源!

  • 变空间飞行技术,人类现在基于爱因坦的广义相对论,任何有质量的物质都无法突破光速,而宇宙是如此之大,如果没有科技突破光速,人类在宇宙中的探索可能就要止步于太阳系之内了,太阳系不过还有几十亿年的寿命,人类如果走不出太阳系,将面临真正的终结,所以变空间超光速飞行是人类进行宇宙探索的毕经之路。实现变空间需要巨大的恒星级能源,更关键的是如何把变空间理论实用化!
  • 全意识交流,人类以语言和文字的交流效率太低级,人类历史不过几千年,相信在几百万年后,人类的语言和文字将退出历史舞台,人类通过智能生物芯片的意识交流将成为常态,交流效率将是语言和文字的上万倍,让全球人类更成为一个整体,让学习变得很容易。

  • 工农业生产全自动化,全智能化,人类的物质需求全部有智能无人工厂来提供,农业生产将实现立体化、甚至太空化,生产全程都由智能机器来完成,无需人工干预,工业生产也是如此,人类将从各种劳动中解脱出来,人类的工作重心将转到宇宙探索,基础科学理念的研究上来。

总之,基础理论的突破是人类科技发展的原动力,将会给人类带来巨大的历史性飞跃,冲出太阳系、冲出银河系,探索宇宙边界才是未来人类的天地!

第一,要突破最小化高能显微镜。这样的显微镜对物理化学、人体结构、医学治疗、天文观察等等领域非常重要。

第二,突破地球大气实现每秒超过四十公里的太空旅行。

第三,找到超耐高温、低温的、千年不变的材料。

这样将会让人类文明实现质的飞跃。

超级容量电池。试想一辆电动汽车安装一块笔记本电脑大小的电池,续航能力达2000公里,且充电一次只需十几分钟;这种电池用在手机上,充一次电可续航半年;一组超级电池组用在波音777飞机上,一次充电可从北京飞到纽约?,那时可控核聚变发电已相当成熟安全,一度电的成本只有现在的十分之一?你想想,人类社会会有多大的变化!

美国已经运行了量子计算机,是当前最能让人类文明获得飞跃发展的技术突破。它的计算速度比超级计算机快100万倍,它可以模拟人的思维,还可能超过人的智慧。5G6G是高科技应用的手段,量子计算机是高科技应用的大脑。非常可怕,万能的魔鬼来了。

聚变技术,合成食物和反重力技术对人类进程会有推动作用。

聚变技术让电力变得廉价,整个世界建造Tw级别的核聚变变电站+兆伏级别的输配电线路的运作,核聚变顺带让昂贵的氦气变得廉价,而且还多,顺带让航空业得到很大发展,高铁和邮轮变得没必要,如果出现时速300公里的空艇,邮轮没必要了,都让空艇代替。高铁也没必要了按照空艇受电面积足以支持,再不行直接让空艇挂线直接走特高压线路也行。而聚变堆的冷却管道顺带变成温泉水,哪里要送到哪里。

合成食品技术。

通过生物技术合成食品,这项技术一旦成功,农业,养殖业变得没必要。一旦粮食,肉类制品,蔬菜能实现合成制造,结合先进廉价的聚变堆发电,生产成本变得十分廉价并十分美味。

反重力技术让重型机械搬运变得简单,让机器反重力,直接手推进去的技术。而且,反重力一旦可以重型化,直接把楼层飘到楼顶嫁接,还有风力发电机安装。

这几张技术,可以让人类等级升高几倍

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