理解科學 科普大家與你面對面
——2022科學跨年之夜專家演講摘錄

文／本刊編輯部

“雙碳”行動：神奇的地下“井工廠”

文／高德利

在國家“雙碳”戰略目標的要求下，我們必須減排。把煤炭“換掉”行不行？立足于現實來說，這是很難做到的。

我們不妨換一種新的思路：把原本建在地面的煤制氣（氫氣及其它燃氣）、煤制油等化工廠及煤電廠，都“搬到”地下去，讓煤炭在地下實現綠色低碳轉化。

地下煤層中往往含有煤層氣，其主要成分為甲烷氣（學名），它還有一個恐怖的名字叫“瓦斯”。很多人都知道，煤礦瓦斯爆炸，是采煤過程中的第一大“殺手”。再者，在采煤過程中煤層氣如果被釋放到大氣中，還會導致嚴重的溫室效應，等量煤層氣所產生的溫室效應是二氧化碳的20多倍。

但從另一個角度來看，煤層氣其實也是一種低碳清潔的非常規天然氣能源。相關資料顯示，我國陸上煤層氣資源量達到71萬億立方米，其中埋深超過2000米的煤層氣資源量超過了40萬億立方米。在采煤前先將煤層氣開采出來，即“先采氣后挖煤”，這不僅能減少煤礦瓦斯災害、保護大氣環境，而且還能增加天然氣供給，緩解我國天然氣供求矛盾。如何開采這些寶貴的煤礦資源呢？我們可以在采煤之前，首先在地下開設“工廠”，把危險的煤層氣開采出來，作為一種低碳清潔的氣態能源加以利用。

地下數千米的深處，人員作業的危險性和成本都很高，所以在地下開設“工廠”主要依靠定向鉆掘技術。這類通過鉆掘來建立的工廠顯然有別于地面上搭建的工廠，可以稱之為地下“井工廠”。

定向鉆掘技術在油氣行業內已經比較成熟了，對于地下深層的油氣，人們通常是在地下建立通道，讓油氣自己流出來。

雖然聽起來像水井一樣簡單，但實際上油氣井的結構更復雜，而且入地更深（如今我國最深的油氣井已超過9000米了）。

借助油氣領域定向鉆掘技術，地下工廠所需的管道、反應室等孔洞，都可以按需鉆出來，可以控制鉆頭幾乎是“想去哪就去哪”。

我們有一個概念設計：首先在煤層頂部沿著水平方向打一個幾百米（甚至上千米）的生產井，并做適當的增產改造，配套各種設施和功能。而在煤層的底部，還要鉆一些水平加熱井，進行煤礦的加熱轉化。煤層氣會吸附在煤炭上，給開采造成難度，如果在煤層底部加熱，這些煤層氣就會解吸出來，最終進入生產井，使煤層氣增加產量，提高采收率。

在煤層氣采集完成的基礎上，可對地下“井工廠”進行適當改造，以便將剩下的煤炭轉化為氣態能源等。

可以說，這項技術戰略舉措對于我國深地煤層氣與煤炭一體化綠色開發利用來說，是極具突破性的一環。

（作者系中國科學院院士、中國石油大學（北京）石油與天然氣工程國家重點學科負責人、石油工程教育部重點實驗室主任）

科技自立自強：電磁護航，逐夢九天

文／蘇東林

電磁看不見也摸不著，但卻和我們的日常生活密切相關，很多人對于電磁干擾和電磁兼容不太理解，舉個簡單的例子，比如在家聽收音機的時候，如果你的手機接到一個電話，收音機就會受到很大的干擾，會變得異常刺耳，這就是典型的電磁干擾。

電磁干擾只在我們生活中有這么一點微不足道的影響嗎？其實不然，電磁干擾在歷史上造成過航母爆炸的慘重事件。

1967年，美國航母上的一個雷達，照射到艦載機上掛載的一個導彈，意外把導彈點燃了，最后引發了連鎖爆炸，導致了重大設備損失以及人員傷亡。

在我們的實際工作中也會時常遇到一些電磁相互干擾，導致系統出現不能正常工作的情況，輕者使性能降級，重者可能還會出現一些導致安全事故的重大隱患。這就要求我們像偵探一樣，去尋找蛛絲馬跡。

2021年是我國的航空大年，我們建造了屬于中國人自己的空間站。12月9日，中國航天員在宇宙中完成了太空授課。最近總有人問我，為了不對飛機產生干擾，我們平時乘坐飛機都需要把手機關機或調至飛行模式，那為什么航天員可以在空間站里進行太空授課，通訊難道就不會對空間站的運行產生電磁干擾嗎？

其實，空間站以及其他的一些航天器上所用的通訊設備，在建造的時候就已經通過了嚴密的電磁兼容設計，就是為了確保航天器的運行不受干擾。航天工程是一個非常復雜縝密的系統工程，它的穩定運行凝聚了所有航天人的心血，假使一處電磁兼容沒設計好，就可能面臨重大的航天事故。這就要求我們不僅要解決航天器內部各種設備的電磁兼容問題，更要讓航天器避免太陽活動以及一些射電暴等的干擾，任何疏漏都可能導致航天任務功虧一簣。

同時，電磁也給我們帶來了很多對于世界的認知，比如說探索太空，無論是到月背著陸，還是去火星著陸等等，都需要電磁。沒有電磁，我們就不會知道浩瀚的星空是什么樣子，也不會精確地讓玉兔號車準確著陸在月球上。包括我們的FAST天眼，它也要通過電磁來捕捉射電暴，看到浩瀚宇宙的一些未知現象。所以國家的重大工程和重大科學探索，都離不開電磁。

（作者系中國工程院院士、北京航空航天大學教授）

激發好奇心：走出地球搖籃

文／吳 季

人類進入太空，就是為了使我們的格局更大。到目前為止，地球上只有600多個宇航員進入過太空，只有27個美國宇航員去過月球，這其中只有12個人落過月球。未來如果有更多的人能夠到太空去，人類的觀念一定會發生更深刻的變化。這就是為什么我們要進入太空，要到太空去活動。

那么，如果進入太空，我們要到哪里去呢？首先地球的臨近空間是可以去的。2021年，兩家美國公司已經把普通人送到100公里高的臨近空間。

再遠一點，我們進入到近地軌道也有可能。近地軌道運行著國際空間站和中國的空間站。中國的空間站將在2022年全部建成，一直運行到2033年。建成之后，中國空間站上面就會一直有人駐守。預計神舟十四號和神舟十五號乘組就不會在地面上交換了，他們一定是在空間站交換。

這些空間站主要還是做科研，但是美國政府在2020年已經開放了近地軌道太空旅游。因此，預計在未來三至五年，就會有近地軌道的商業太空旅館出現。

此外，人類還會向月球發展，對月球的研究積累了一定經驗以后，接下來就是月球旅游。國內外對月球旅游都做了很多想象，月球應該說是最適合人類旅游的目的地，兩三天飛過去，然后在那兒過兩三天，然后再兩三天回來。正好是一個小長假。

那么如果要再往遠走的話，就會到火星。火星的科學未知還有很多，人類對火星的探測還是以無人探測為主，真正的有人探測還沒有開始。

但是馬斯克已經在設想要建造火星城，要做火星移民。火星離我們非常遠，火星一去一回大概要300天的時間，這顯然不適合旅游。馬斯克說是做移民，但是移民也不是很容易，火星圍著太陽轉一圈是地球年的1.88倍。換句話說，如果有人在火星上出生，他50歲的時候就相當于一個地球人94歲了。火星自轉一圈也比較慢，比24小時多一點，那么經過30多天，就比在地球上要慢一天。

如果具備很快的行星際飛行能力，我們還能去哪兒？我們還可以去金星。在金星上空50-60千米高度的大氣層里有室溫層，那里的溫度20多度，非常舒適。在這個高度如果放一個飛艇，很容易使人類生存。

再往遠，我們還可以去木星。木星有一個衛星叫木衛-2，它上面全部都是冰凍的海洋，海洋的冰層大概有幾公里厚。但是在這個幾公里厚的冰層下面有液態水存在，水里面也許可以發現生命。

太空旅游還可以走得更遠，還可以到土衛-6，它上面有液體的海洋，但這海洋不是水的海洋，而是甲烷的海洋，甲烷的溫度是負180多度。如果我們能夠在土衛-6的海洋上泛舟，看到帶著光環的巨大土星從海面升起，也是一個非常美妙的景色。

（中國空間科學學會理事長、中國科學院國家空間科學中心研究員、國際宇航科學院院士）

元宇宙：推開“虛實融生”那扇門

文／沈 陽

2021年3月，美國一家公司上市的招股書明確提到了元宇宙的一些概念。到了2021年的下半年，Facebook把公司更名成Meta，元宇宙開始廣泛地進入到大眾的視野中來。這個概念迅速地“出圈”了。

那元宇宙到底是什么呢？1992年，科幻小說《雪崩》提出了元宇宙概念。元宇宙是虛實相融的，它有多種形態：有虛擬現實的元宇宙，有增強現實的元宇宙，有腦機接口的元宇宙，乃至未來科幻世界所描繪的數字永生的元宇宙。

元宇宙涉及三個最核心的技術。第一個是XR技術，比如VR的頭盔、AR的眼鏡，還有MR的眼鏡等。這些技術我們把它統稱為XR技術。

XR技術主要解決什么問題呢？假設你的好朋友正在玉龍雪山旅游，然后你跟他視頻通信，如果是元宇宙通信，他會立即把他在玉龍雪山山頂的情況分享給你。更高級一點的元宇宙，甚至他在玉龍雪山上面感受到的溫度，你也可以感受到。也就是你本人不需要到現場，你就能感受到對方整個空間中的方方面面的情況。

元宇宙的第二個關鍵技術是數字孿生和游戲引擎。數字孿生主要解決的問題是把我們的現實世界，比較完整地呈現到虛擬空間去。游戲引擎要解決的問題是要構建一個比較虛擬化的場景，把我們的房子、人物等呈現到虛實相融的空間當中去。

第三個關鍵技術要解決的是經濟性問題，我們在元宇宙里面怎樣去進行經濟活動，這是元宇宙的三個最核心的屬性。

元宇宙概念的提出，對人類意味著三個拓展。第一個拓展就是對我們生存空間的拓展，比如你家里的臥室可能只有10平米，但是當你戴上VR的頭盔之后，你關注到的場景可能是1000平米、甚至10000平米，然后你還可以躺在沙灘上曬曬太陽，無形中就拓展了生存空間。

第二個拓展是對感官維度的拓展。以使用手機為例，我們主要以視覺、聽覺為主。未來，假如我們在元宇宙里面進行交流，我們還可以戴有觸感的手套，當你在元宇宙里面跟人握手的時候，你同樣可以感覺到他握手時的力量。這同樣也是元宇宙的一個比較深入的應用。

第三個拓展就是對我們思想上的拓展。原先我們認為探索宇宙是人類最重要的一個目標，現在有了元宇宙的概念之后，我們發現創建一個宇宙跟探索一個宇宙同等重要。

元宇宙在今天，我們可以看到有很多種不同類型的版本。

如果是VR、AR、MR的元宇宙是一個低配版的元宇宙，加入了觸感、溫度感，甚至未來加入更難的味覺（人類所有的這些感官里面味覺是很難電子模擬的），我們可以把它叫高配版的元宇宙。

如果是腦機接口的元宇宙，我們認為它是高級先進版元宇宙。再往后面，到數字永生的元宇宙，那可能是一個終極的形態。

一個標準的元宇宙是什么樣子的？

以清華大學舉例，一個標準的元宇宙或許是這樣的：首先，把整個清華大學和清華大學的老師、學生全部收入到一個虛擬世界里面去，這是第一步，叫數字孿生。

第二步，就是你自己的虛擬人進到清華大學的虛擬圖書館里去。在圖書館看書的時候，你發現你左邊坐著20歲的林徽因，右邊坐著著名的科學家錢學森。當然在這個虛擬世界里面，錢學森也不是老年的狀態，他是20歲的狀態。這個時候你跟他暢所欲言，并且合了影。這一步叫虛實原生。

你跟他在虛擬世界里面合影之后，你回到真實的世界，這個時候你可以用3D打印，把你跟他的合影打印出來，這一步叫虛實相融。

而過了兩天你又想，我在元宇宙里面碰到過錢老，那我能不能在真實的清華大學圖書館里碰到錢老呢？然后你就到清華大學的真實的圖書館去看，結果發現20歲的“錢學森”也在圖書館里面看書。這是他的一個高仿機器人，長得跟錢老一模一樣。

這意味著什么呢？就是在元宇宙里面的虛擬這一部分（虛擬人），以及真實的這一部分（機器人），背后是一套統一的驅動引擎。他記得在虛擬的和真實的世界里面跟他交往的過程，這是一個標準版的元宇宙的場景，10年之后或許我們就能夠看到。

（作者系清華大學新聞與傳播學院教授）

科技冬奧：自由視角技術讓觀賽身臨其境

文／陳寶權

在今年北京冬奧會上，“看什么”可以交給觀眾自己決定，這套技術的名字叫做“自由視角觀賽”。

2021年4月份，在國家體育館冰球比賽的測試賽中，我們做了自由視點的測試。以這樣一種技術向全球觀眾轉播這個賽事的時候，觀眾可以自由地改變他的視點。他只要拿一個手機，用手指在屏幕上輕輕地滑動，就可以改變他觀看的視角。

他可以隨意地在這個場地“飛躍”，他可以拉近了看，可以換一個不同的角度看，也可以把時間凝固，在某一個瞬間的時候從不同的視角去觀看。這樣就能夠給觀眾帶來一個完全身臨其境的觀看體驗。

由于全球疫情影響，2022年的北京冬奧會不面向境外觀眾售票，所以我們作為東道主不僅有責任讓全世界觀眾“看得清”，更要“看得真”。

那世界各地的觀眾是如何坐在家、拿著手機就能沉浸在賽場中進行無死角觀賽的呢？首先，我們要把精彩的比賽拍攝下來，而拍攝賽事的方法與科幻電影中子彈時間的拍攝方法類似。

比如這個場景：通過一個360度的慢鏡頭全方位展示側身躲過子彈，這樣的瞬間可以給觀眾帶來非常震撼的體驗。它拍攝的方式就是從多個角度同步來拍攝這樣的一個畫面，然后在后期制作的時候來切換鏡頭。

這種電影制作技術，實際上是需要后期大量的計算制作的。不僅是計算的成本非常高，同時制作的時間也相當長。一個10秒、20秒的畫面，可能需要一個月甚至一年的時間來進行計算。

那么如何讓這樣的一個技術，從一個科幻電影的拍攝，也就是一個離線的長時間制作，來進入到我們一個需要實時計算、實時傳輸的體育賽事轉播？這里面是有很多挑戰。

首先是需要大量的相機來拍攝。舉個例子，在一個舞臺上，如果只有左邊、右邊兩路信號來拍攝我，那這兩個視頻信號之間的轉換是非常跳躍的，根本無法形成畫面變換之間絲般順滑的觀看體驗。

實現一個360度特別平滑的視覺效果，那幾十臺攝像機是不夠的，這可能得上千臺、甚至2000臺攝像機來拍攝。怎么才能控制現場攝像機的數量呢？我們通過計算出1000多臺攝像機拍攝的效果，發現2個機位之間插入30臺攝像機機位視點即可，這些視點我們管它叫做虛擬攝像機，最后傳到用戶的畫面，實際上是由實際的攝像機和虛擬的攝像機的畫面整合得到的。

但同時又帶來一個問題，如此巨大的視頻陣列，如此多路的傳輸量，可能要調用大概1000臺應急通訊車，才能把視頻信號轉播出去。

那怎么辦？我們把視頻的信號經過壓縮，保留它最有價值的信息，再發送出去。另外，自由視點的信號最終要傳送到我們的個人手機上，這需要擁有非常強的傳輸能力。恰好5G就提供了這樣的能力。目前北京、延慶賽區的17處冬奧場館及京張高鐵、京禮高速沿線建成了上百個5G基站，這樣覆蓋度高、便捷性強的5G信號網，將有力保障賽事自由視角直播畫面的傳輸速度和效率。

（作者系北京大學教授、前沿計算研究中心執行主任）