航空航天与智能时代：21世纪的科学问题
　　中国科学院郭万林院士
　　一、人类社会发展和航空航天科技历程
　　我们仰望星空。人类几千年的文明一直是看着日月星辰，以农耕生产为主的社会生活。从6000年前到公元前的400多年，人类发明了算术、欧几里得几何；发明了星象日历：阳历和月历，进入了人类的第一次文明，这就是农业文明。十七八世纪是人类一个非常重大的转折点，在此之前的几千年大都是农耕社会，我们这一代青年人可能从出生或记事起都生活在工业社会。但我小时候，中国基本上80%的人口仍是农业人口，中国还处于农耕社会。所以也就是在短短的30年，中国从农耕社会到了现在的高度现代化的社会。这一时代的到来，分水岭就是牛顿时代。大家都知道牛顿力学。实际上，牛顿最重要的科学著作是《自然哲学的数学原理》。他把过去经验的、观测的所有的运动、阻力，包括天体的运动，都采用其发明的流数术（Methodus Fluxionum），即现在的微积分（Calculus）来描述。在此之前，中国算盘是世界上无与伦比的数学工具，但微积分超越了以前的数学。1687年《自然哲学的数学原理》首次发表时采用的是拉丁文。到1729年才第一次翻译成英文，该数学原理翻译成中文是哪个年代呢？是1931年。所以说从牛顿微积分、牛顿力学到蒸汽机时代，一直到1931年，我们才开始了解牛顿和他的数学原理（微积分）。目前南京航空航天大学的航空学院有两个专业：固体力学和流体力学。其中，流体力学是由二阶的偏微分方程描述；而固体力学是由四阶的偏微分方程描述。从牛顿时代到20世纪航空航天科技的发展，实际上就是解决这两个方程的历程，如图1所示。
　　图1 从《自然哲学的数学原理》到现代科学与技术时代的理论基础
　　19世纪，建立了电磁理论，人类能够发电，用电力推动机械，就进入电气时代。20世纪初，不仅仅是1903年美国莱特兄弟（Wright Brothers）的飞机第一次离开地球表面飞行，还有1905年诞生量子力学（Quantum Mechanics）。今天大家用手机拍照，甚至包括计算机、互联网等，所有这些现代科学技术都是由量子力学带来的半导体时代的成果，已经有60多年。
　　20世纪初，莱特兄弟的第一架飞机起飞后飞离地面几十米，然后，人们就开始考虑飞机能够飞多远不掉下来。从20世纪上半叶起，机毁人亡的事故大量发生。所以，首先要解决的问题是飞机起飞后不掉下来，也就是飞机的安全问题。美国的 F-15、F-16型战斗机，法国的幻影2000，中国的歼-10战斗机都是第三代战斗机。我研究生毕业时刚刚赶上非常好的时期。1985年，歼-10战斗机立项，我的导师推动实行损伤容限设计，将国外的安全设计准则应用在中国的飞机设计中。歼-10战斗机是中国第一个完全采用 CAD（计算机辅助设计）、CAE（计算机辅助工程）设计方法的战斗机。到了现在的第四代战斗机，如美国 F-22型战斗机、中国歼-20战斗机，实际上是非常大的变革。这个变革是什么？如果说第三代战斗机追求的是飞行的安全和飞行的机动性等，那么第四代战斗机则是追求隐身、超音速巡航、红外制导、超视距的作战等，实现真正意义上的移动信息作战平台。但再发展，如未来的超高声速飞行、天地之间的空天飞行，完全需要新的理论。过去的四阶偏微分方程、二阶偏微分方程再也无法解出来。如超高声速飞行，在前面形成激波，其激波完全不能采用现在的空气动力学方程描述，因为气体被压缩得像金刚石一样坚硬。这时就需要新的科学理论描述；再比如星地航行需要动力，需要加速度，这时仅依靠自身的燃料是远远不够的。如果采用量子驱动的原理，哪怕是加上皮牛级的力，只要产生加速度，它就会越飞越快，就会实现革命性的星际旅行。
　　二、纳米科技时代的革命性进展
　　（一）概述
　　再看看纳米科技时代。“纳米科技时代”大家觉得是一个很时髦的名词，但它实际上已经到了发展的转折阶段，已经到了科学研究向产业、向市场驱动的转化阶段。
　　回顾1947年，第一个半导体晶体管，也就是场效应管（FET）诞生；1959年，第一块集成电路诞生，实际上是在一个锗片上将电路所需的晶体管、电容、电阻等元件及布线互连一起，形成具有一定功能的简单电路。第一块集成电路是在一块几毫米见方的锗片上实现的。由于集成电路被申请了专利，所以场效应管和集成电路这两个专利属于基础型的专利，在半导体时代统治几十年。1953年，人类发现了孟德尔遗传学真正的物质基础：DNA 的双螺旋结构。双螺旋DNA宽度为2个纳米，4个碱基 A、T、G、C形成碱基对，每个碱基对就像楼梯的梯子格一样，每格之间的间距为0.3~0.4纳米。
　　20世纪50年代，量子力学已经发展得极其成熟。利用量子力学原理设想，费曼（Richard Phillips Feynman）在1959年的美国物理学年会上做了30分钟的报告。该报告称，如果按照量子力学原理，人类可以搬动原子，随心所欲地摆放原子，构成任何图形。如能这样将会产生革命性的变革。同时，该报告还指出，如果搬动原子去写字的话，可以在一个针尖这么大的空间里，把大英图书馆的所有藏书都记录下来。当时人们不以为然，甚至有人嘲笑费曼，说你给我搬个原子看看。这个设想在1982年就实现了，在扫描隧道显微镜（scanning tunnelingmicroscope，STM）下IBM的学者第一次用针尖搬动了23个原子，并构成了“IBM”三个字母，这一发现实现了费曼用原子写字的设想，一下子就惊动了全世界，纳米时代也就开始了。实际上从2003年以来，笔记本电脑中的晶体管尺度已经做到90纳米。而大家认为，100纳米以下是进入纳米科技时代的一个临界点。现在的先进芯片基本上是采用14纳米的技术，10纳米的芯片也已经商业化，下面将是7纳米、5纳米的芯片，也许会有最后一代产品，也就是硅的时代已经高度成熟。
　　有人问我，为什么来到南京航空航天大学以后，不去做飞机而是想着纳米？我想在硅的时代，所有相关的技术都是西方国家主导，专利都被他们垄断，所以他们经常要讲知识产权，？你不能造，我不让你造，你就不能造，花钱也不能造。所以硅时代以后的时代，我们中国应该有机会了，对我们这一代人应该有机会。比如，在2003年，人类基因组DNA基本测序完成，现在只需1000多美元就可以进行DNA测序。也就是说，可以从一个人全部的DNA序列中想得到什么就能得到什么。另外一个就是，20世纪40年代人类把原子核5飞米(femtometer，fm)（1飞米=10.15米）小的尺度的能量释放出来，实现了核裂变。20世纪60年代，中国实现了两弹一星的研制。从1985年开始，人类发现人造的纳米材料，诸如纳米颗粒、纳米线、纳米管，甚至二维的纳米材料。从原子到产品，纳米科技时代已经到来，将来大家从事的科研工作不再是现在的生产方式，而是对单原子精细操控，指挥原子去生产产品（原子制造）。
　　（二）空间、时间、能量尺度
　　例如，古筝的琴弦从长到短，它的音调从低音到高音，随着琴弦的长度变短，频率会越来越高。从米量级到纳米量级，什么是纳米呢？毫米是10-3米，微米是10-6米，纳米就是10-9米。在国际单位制中，每1000倍有一个专门的单位，纳米就是这样的一个单位尺度。时间的尺度也就是频率，比如说，琴弦可弹出十几赫兹到1万多赫兹这样的频率范围，基本上覆盖了人耳所能够听见的频率范围。时间的尺度是从秒到纳秒（10-9