2050年的科学:塑造我们世界乃至更远未来的未来突破
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核聚变、人类登陆火星、通用人工智能——这些只是到本世纪中叶可能实现的部分技术进步。

一幅描绘另一个星球上复古未来主义城市的概念插图,背景中有行星、聚变能源和飞行器。
插图:Chiara Vercesi

罗马圣贤马可·奥勒留曾说过,我们不应该让未来扰乱我们的心绪。但他显然从未与未来学家尼克·博斯特罗姆探讨过2050年的世界状况。

博斯特罗姆在一封电子邮件中表示:“到2050年,所有科学研究很可能都将由超级人工智能而非人类研究人员完成。有些人可能会把科学作为爱好,但他们不会做出任何有用的贡献。”

《自然》杂志的读者们,是时候重新考虑你们的职业选择了!自然150周年纪念系列

套用一句关于计算机模型的陈词滥调,对未来的预测通常是错误的,但有些预测却很有趣。《自然》杂志长期以来一直热衷于通过预测、展望和预言来激发人们对未来几十年研究进展的思考。最值得一提的是,该杂志在20世纪末21世纪初推出了一系列科学预言增刊,其中时任主编菲利普·坎贝尔大胆预测,到2100年,人们将会发现基于DNA以外的其他物质的生命形式。(他当时称这一说法很愚蠢,但如今依然坚持。)

因此,在同行评审暂停,且《自然》杂志明确表示将探讨“当前及未来趋势的解读”之后,让我们把(至今仍未被发现的)时间机器设定在2050年,谨慎地向外窥探一番。准备迎接科技的飞跃,解开暗物质之谜,或许还能通过研究足够多的人来告别许多疾病。

热门时期

你最好在开门前做好心理准备。“气候变化的情况会比我们预想的还要糟糕,”德国汉堡马克斯·普朗克气象研究所的建模专家盖伊·布拉瑟尔说。

他指出,到2040年,全球平均气温将超过工业化前水平2摄氏度的关键阈值。(鉴于气候系统的惯性,政府间气候变化专门委员会表示,为了避免这种情况,全球排放量需要在2025年达到峰值,然后急剧下降;参见go.nature.com/4prom5j。)因此,到2050年,关于全球变暖现实的政治辩论可能就会像冰川一样消融殆尽。

争论的焦点或许会转移到是否应该尝试冷却地球,最有可能的方法是向高层大气注入闪亮的颗粒,阻挡阳光照射到地表。尽管这种地球工程技术尚未得到证实,也未进行大规模测试,但到2050年气候可能遭受严重影响,这或许会促使受影响的国家甚至公司实施此类大气干预措施。

布拉瑟尔说:“有些国家可能单方面使用这种方法,只认为它能解决自身的问题,却不考虑对其他国家的影响。”这种干预可能会改变降雨模式,扰乱其他天气状况,甚至可能使情况更加恶化。布拉瑟尔说:“我认为应该禁止这种做法。”

布拉瑟及其同事在2025年的一项研究¹中指出,地缘政治紧张局势意味着,对2050年未来气候的预测必须越来越多地考虑大气物理学以外的因素。十年前,气候科学家们还在庆祝《巴黎协定》促成了全球对气候变化的认可。而如今,美国却被迫从政府报告和网站中删除“气候变化”一词。与此同时,其他优先事项也占据了主导地位。

“如果我们谈论气候科学,人们根本不想听,因为他们更害怕其他问题。他们想要食物,他们想要和平,”他说。所有这些都表明,到2050年,世界将面临本世纪末气温升高3摄氏度甚至更高的局面。

一名身穿高能见度背心的工人走过一排数米高的风扇,这些风扇呈圆形,排列成三排。
位于冰岛的一座由瑞士公司Climeworks运营的工厂,从空气中吸收二氧化碳并将其储存在地下。如果碳移除技术能够盈利,就有助于防止地球过热。图片来源:John Moore/Getty

这里还有另一种更为乐观的设想。到2050年,从空气中去除二氧化碳可能会成为一项巨大的商机,届时企业会想方设法减少这种温室气体的循环,并从中获利。

“我们将利用二氧化碳制造各种不同的产品,”赫尔辛基国防大学的未来研究员埃琳娜·希尔图宁说。“它可以是塑料、燃料或药品。但它们都是用空气制造的。”

未来冲击

这两种可能情景之间的巨大鸿沟,凸显了未来学家和其他试图预测下一届选举周期之后发展趋势和潜在风险的人士所面临的困境:我们究竟能在多大程度上根据当前趋势预测未来?未来又会在多大程度上受到看似不太可能或尚未出现的颠覆性事件和发明的影响?而预测又会在何时变得……嗯,有点荒谬呢?

理查德·沃森(Richard Watson)是《未来儿童读物》 (2024 年)的合著者,也是英国伦敦帝国理工学院和剑桥大学的前驻校未来学家。他认为,未来学——对未来趋势进行系统性、跨学科研究的学科——最适合想象 10 到 15 年后的未来。

“五年以内,你只会受到当下引力的影响,最终讨论的都是下周二的事,”他说。“二十年左右,情况很快就会变得非常科幻。我曾为银行举办过研讨会,一旦你谈到2050年代,你就会发现外星人已经生活在月球上了。”

尽管如此,2050年仍然是一个重要的时间节点,对于那些希望设定目标并引导投资以实现这些目标的人来说,也是一个极具吸引力的截止日期。例如,航天机构通常会制定如此长远的规划,因为从构思、审批、设计、建造到发射,一项任务可能需要数十年时间。

例如,欧洲航天局已经向研究界征集2050年项目方案。提交的方案包括:轨道反物质探测器、将彗星冰体上的冷冻样本带回地球以及将机器人探测器送上水星表面。

艺术家描绘的宇航员身穿宇航服,行走在火星橙色的沙质地面上,背景中可以看到小型圆柱形住所和未来主义车辆。
未来学家们正在争论人类能否在2050年之前登陆火星。图片来源:JPL/NASA

然后是火星。美国总统唐纳德·特朗普今年早些时候重申了美国宇航局在 2050 年前将人类送上火星的目标,而埃隆·马斯克则声称,他的公司 SpaceX 最早可以在 2026 年向这颗红色星球发射一艘无人星际飞船,这是其在 2030 年代将人类送上火星计划的一部分。

位于加利福尼亚州坎贝尔市的智库“生命未来研究所”未来项目主任艾米莉亚·贾沃斯基(Emilia Javorsky)对人们进行太空旅行持怀疑态度,因为太空辐射的风险和微重力的长期影响。该研究所专门分析变革性技术。

“这个领域主要由工程师、航空航天工程师、机械工程师主导,他们大大低估了生物学方面的挑战,”她说。“每个人都认为我们会找到一些材料,一些方法,让我们能够想办法摆脱困境。”

机器的崛起

任何对未来的展望都必须考虑人工智能的持续崛起。但其发展速度究竟如何?

“我可以比较准确地预测人工智能在 2027 年、2028 年的发展趋势。但我不知道我是否能够自信地预测到 2030 年人工智能会发展到什么程度,”伦敦研究和预测公司 Outsmart Insight 的联合创始人 Alex Ayad 说。

之后的前景更加模糊,但人工智能领域的一些人认为,到 2050 年,机器学习系统可能会做出足以获得诺贝尔奖的科学成果

博斯特罗姆 (Bostrom) 现居英国牛津,著有《超级智能:路径、危险、策略》 (2014) 一书。他预计通用人工智能将在 2050 年到来,并具备回答“我们目前感兴趣的大多数问题,以及原则上可以通过科学回答的问题”的能力。

即使没有超级智能接管,到 2050 年,人工智能也可能使科学研究过程截然不同。Ayad 表示,结合机器人实验人员,由算法驱动的自主系统将在专门的“无人实验室”(之所以这样称呼,是因为其中不需要人参与)中全天候地研究生物技术问题。从150年的科学中汲取的经验教训

这就是一个由技术决定未来的例证,这些技术能够推动新型科学研究和进步。在许多情况下,所产生的知识又会反过来促进更新、更先进的技术发展,形成一种互惠互利的共生关系,从而开启更多的新科学,如此循环往复。

墨西哥库埃纳瓦卡国立自治大学的物理学家胡安·卡洛斯·伊达尔戈表示,例如,量子科学和宇宙学的进步可能会在 2050 年之前取得巨大进展。

研究人员以诺贝尔奖得主阿秒激光脉冲为基础,目前正在开发探测单电子和核自旋产生的微弱磁场和电场变化的方法²。Hidalgo表示,将这种量子传感器集成到引力波探测器中,可以让宇宙学家识别出比目前更小的物体,包括假想的原初黑洞。

这些天体形成于宇宙大爆炸后不久,可能蕴含着目前宇宙中无法解释的质量,如果结合其他观测结果,或许能够解开一些宇宙学谜题。“所有这些都将有助于我们阐明暗能量甚至暗物质的本质,”伊达尔戈说道。

他认为,这样的发现最终可能会产生一个取代目前普遍接受的宇宙学标准模型的替代方案。而该标准模型在2024年发表的数据的重压下已经摇摇欲坠,这些数据对该模型预测的宇宙膨胀速度提出了质疑。

伊达尔戈谨慎地预测,到 2050 年,聚变能源有望最终成熟,这可能会彻底平息人们对聚变能源总是还有 30 年才能实现的嘲讽。

“可以肯定的是,核聚变在过去5年里取得的进展比过去50年加起来还要多,”他说。

外部因素

过去75年来的科学进步得益于公众对科研的广泛支持,但这种趋势可能不会持续下去。

例如,民粹主义的持续兴起及其对快速解决复杂问题的诱惑,可能会让下一代科学家难以证明多年耐心工作的价值,而这些工作恰恰为看似迅速的进步奠定了基础

荷兰海牙的远见咨询顾问、期刊《未来》(Futures)的联合主编帕特里克·范德杜因表示,经济低迷时期公共支出持续紧缩,再加上政治势力对科学价值的攻击,可能意味着研究人员将面临越来越大的压力,需要证明其研究经费的合理性。这对科学的未来来说并非好事。”

这也可能使纯粹研究和应用研究之间原本就脆弱的平衡向政府视为明确支持狭隘政治目标的科学领域倾斜。例如,随着许多国家人口老龄化,政府可能会加大对旨在治愈和预防慢性疾病的医学研究的投入。但仅靠技术进步并不能确保这些进展。

“我认为我们将开始为期十年的反思,逐渐意识到数据是我们面临的一大瓶颈,”贾沃斯基说道。

解决数据短缺问题意味着要依靠志愿者,可能需要数百万志愿者,他们愿意无偿提供自己的时间和健康信息,而自身却几乎得不到任何好处。但这不会很快实现。

“我们需要启动这些项目,我们需要收集、整理这些数据,并向公众公开,”她说。

在一种乐观的设想中,这种民众力量最终或许能够揭示生物标志物——例如,可以在人体蛋白质组或代谢组中检测到的生物标志物——从而更好地诊断和治疗精神和神经系统疾病。“测量将使我们超越精神病学的诗意表达,进入量化领域,”她说道。

贾沃斯基说,到2050年,现行的《精神疾病诊断与统计手册》 (该领域的诊断工具)的语言可能会像早期版本(基于弗洛伊德精神动力学)现在在我们看来一样古老。“它会像古希腊人描述疾病的著作一样,成为我们在课堂上学习的东西。”

人生机遇

希尔图宁表示,构建 2050 年情景的另一种方法是寻找“微弱信号”——处于萌芽阶段的想法和技术,它们可能会以多种可能的方式发展,其中一些发展方式会让所有人感到惊讶。

这些颠覆性的未来技术如今可能被当作笑柄。“早期笨重的移动电话就像如今智能手机的微弱信号,”希尔图宁说道,“它们曾被嘲笑,因为只有雅皮士和富人才用得起。”

她补充说,科幻作家经常会捕捉并描述这类微弱信号对未来社会的影响,这也是为什么许多未来学家——以及军方——都认真对待科幻小说这一体裁的原因。希尔图宁研究的是军队和国防组织委托撰写的科幻作品报告,这些报告往往比企业和学术机构撰写的报告更具前瞻性。

乌克兰战争中双方使用小型一次性无人机令许多评论员感到惊讶。但早在2016年,美国陆军的一项演习(不幸的是,这项演习被命名为“疯狂科学家计划”)就已对此有所预示。该演习要求科幻小说作家描述到2050年的未来战争场景³

根据科幻小说的设想,到2050年,还有哪些目前较弱的信号可能会占据主导地位?希尔图宁表示,新兴的粘土电子学领域将发展出可编程材料,这种材料由大量微型机器人组成,可以根据需要改变其形状和功能。“所以,如果你有一把椅子,那么你可以通过重新编程材料把它变成一张桌子。”

除了可以变形的家具之外,粘土电子学的进展还可以塑造未来众多领域的研究方向,从材料科学到构建患病器官的复制品以规划和测试治疗方法。

当然,科幻小说经常会描绘与人类最大的问题之一相关的场景,这个问题甚至到 2050 年人工智能可能也难以回答:我们在宇宙中是孤独的吗?

根据系外行星发现速度的简单推算,到2050年,科学家可能已经发现了1亿颗系外行星。其中会有行星拥有大气层,并可能存在生命迹象吗?一些系外行星搜寻者认为会。2019年在布达佩斯举行的一次小型非正式调查显示,与会者普遍支持“系外行星研究人员将在2050年因发现地外生命而获得诺贝尔奖”的观点

德国哥廷根马克斯·普朗克太阳系研究所的天文学家勒内·海勒主持了这项调查,他的态度则更为谨慎:“我怀疑在未来 25 年内,我们能否将技术能力和理论能力结合起来,提供我认为是必要的非凡证据。”

他预计会有人提出这样的说法,但不会接受:“也许会有人提出这样的说法,我认为其中很多说法都会被驳斥,或者至少会受到质疑。”

无论如何,要证实地球之外存在生命,可能需要数十年的争论。“这将是一个逐渐形成公认理论的过程。如果我们幸运的话,或许要到本世纪末才能实现,”他说道——这至少能让《自然》杂志在2050年重新审视这一未来展望时,有内容可写。

尤其是如果所谓的外星生命并非基于DNA的话……

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