天文学
未来十年的关键问题中，包括确定散布在宇宙中的暗物质的性质。如果暗物质的样式未能用已开创40年的、与弱相互作用粒子相关的直接检测方法证实的话，则这个问题将成为我们主要的困扰。有些人将暗能量的性质选为天文学面临的最基本难题；而另一些人则希望了解稀薄气体和尘埃是如何变成稠密的恒星和行星，以及在银河系中究竟有多少类似地球并适于居住的行星。所有这些问题的答案将会在2020年得出，但天文学界必须依照轻重缓急排定何者为先。
排定优先顺序将不会是一件容易的事，未来的技术必将是更为复杂和昂贵的。以地面为基地的天文学已经成为一项庞大的学科，而以太空为基地的天文学则在创造性和可承受的经济性之间权衡而苦苦挣扎。结果，目前所造望远镜的预算已对未来望远镜建造项目造成限制。此外，将在2014年发射的詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)，其生命周期成本已经并将继续挤占那些较小的、较便宜的和更为灵活的天体物理任务的预算。
为了精心制作一个令人兴奋的综合战略，以便在下一个十年里达到前一个十年预定的目标，美国已经着手其天文学的十年规划，该规划预计在2010年末完成。天文学家已经提交了大量公开报告，阐述牵涉有关任务及设备的科学和工程学考虑，总价值超过700亿美元。这至少超过了在下一个十年里新举措所可能花费资金的4——5倍。因此，规划委员会受托在大项目和小项目间寻找合适的平衡，并将地面天文台和太空天文台进行适当组合。方法是记录下公共望远镜和私人望远镜之间的坐标，并对这些望远镜设备进行优化。
这是天文学的黄金时代。潜在的令人震惊的突破点依然是巨大的，但即便是实现它的一小部分，也需要投入可观的资金和技术。人类会在全面理解宇宙的门槛前止步不前吗？
――美国国家研究委员会物理学和天文学理事会副主席亚当·伯罗斯（Adam Burrows）
药物研发
“如果中国出现一家大型跨国药品公司，相信没有人会对此感到惊讶。”
下一个十年将见证制药工业大动荡的加速。在药物研究和开发、竞争、政府政策以及市场方面的深刻变化将不断质疑现有的商业模式和战略。许多既定的角色将不会发生变化，而某些备受尊崇的公司已经在兼并中不复存在。
制药工业将一分为二：一些公司信守长期承诺，以研发新型药物为己任，而另一些公司则只关注市场。后者在短期上可能表现更好，但最终难逃失败的命运。开发有效的加工方法对制药工业而言是唯一可持续的价值来源。由于许多严重疾病的治疗方法显得不足，而许多药品的疗效则表现平平，因此，这个行当的机会仍然是巨大的。寻找新药物存在诸多风险，但从承诺中后退的风险却更高。
我无法就规模或组织结构来预测一种强势模式。我们将看到一个由拥有深度科学资源和众多更专业化的公司的少数大型全球角色构成的生态系统，药物创新的全球化将继续。如果中国出现一家具有强大创新能力的大型跨国药品公司，没有人会对此感到惊讶。
――哈佛商学院工商管理教授盖瑞·皮萨诺(Gary P. Pisano)
人口学
如果20世纪的标志是人口增长，那么21世纪的标志就将是人口的老龄化。到2020年，平均而言，欧洲人预期仍存活的年数，要少于他或她已活过的年数，东亚将紧随其后。人类在未来十年里将花费大量时间来应付诸如：如何组织和照顾不断增长的老龄人口，以及由谁来生产供老年人消费的产品等问题。
从长远看，在那些生育率非常低的国家里，回到适度的生育率并增加移民可以大大改善人口年龄。而瑞典和日本则面临着全然不同的人口前景，因为瑞典的生育率更接近于新旧轮替，一支小而稳定的移民团队将补足差额。作为世界头号长寿之乡的日本，生育率依然很低，移民问题是主要的社会挑战。
人口学研究需要在四个方面解决人口老龄化问题。低出生率或许能通过采取兼顾工作和家庭、使人们有他们所想要的孩子等措施来提高；促进移民的社会和经济整合是另一个优先要考虑的问题；健康研究、帮助人们青春永驻，已经是老龄化社会的优先问题。事实上，到目前为止，生命的健康周期已经延长，赶上或超过了预期寿命本身。但是现在，当第一批65岁的婴儿潮时期出生的人准备吹熄他们的生日蜡烛时，我们必须面对更大的重新安排生命转折点的问题，以便人们能保持活力和生殖能力。成功应对老龄化问题的社会将是那些善于利用长寿优势的社会。
――德国马普学会人口研究所执行理事约书亚·戈尔茨坦(Joshua R. Goldstein)
绿色化学
未来的化学与过去将有很大不同。传统上，高度专业化的纯理论化学已经使食品、能源、健康、运输、通讯以及现代生活的质量得到改观。但它也在不经意间耗尽了有限和珍稀的资源，危及工人安全并污染了生态系统。绿色化学是一条解决之道：它综合了来自合成化学家、物理学家和生物化学的知识，同毒物学者、环境健康和生命科学家一起，提交了一份可持续的化学设计。
令化工产品及其生产过程减少、或消除危险物质的使用和产生，本身就是一项系统研究。“绿色化学的十二条规则”统一了分子生命周期的所有方面：从获取原材料、经过合成和制作过程，到达商业生命的终点，并最终到产品的出售。这些规则是基于最新的、有关人类活动所产生物质同自然界间的相互关系的基本发现。
研究经费的不足，意味着用于化学领域中持续不断创新的努力还不够。作为第一步，化学需要采纳一种明确规定的研究规则，以便让分子科学研究者始终保持其创造性，而不是去损害人类和地球。为此，我们需要将全部化学转变为绿色化学。
――耶鲁大学绿色化学及绿色工程中心保罗·艾纳斯塔(Paul Anastas)
国立卫生研究院(NIH)
国立卫生研究院(NIH)是通过为实验提供资源而服务于美国的生物医学社团，但它采用的方法偏重于短期和缺乏创造力想法的企业的经营活动。我们建议2020年的NIH应当在其文化和决策过程中有深刻的变化。
首先，资助标准应当更偏重于正在申请的个人，而不是拟议计划的细节。我们希望促进、并随后由NIH识别某些已经具有改革精神并富有成效的人，这些人应当得到足够的支持以便他们能以他们自己的方式发挥创造性。
显然，当前由跨专业的学术部门构成的、对研究计划进行复审的系统阻碍了机遇的获取。它们应当被替换或扩展为广泛的、以研究所为基础的各学科的复审团队，它负责评估经过大大简化了的应用，即关注研究的目标、问题的重要性以及审查者的质量。复审的技术部分将从评估计划的可行性转为对能力的调查。
与此同时，我们应当通过帮助新一代独立科学家在正常学院道路之外的发展，激励他们开始富有成效的职业生涯。如此，既然并非所有的受训者都是在长者监督下学成的研究生和博士后，则会有独立的或自导研究的另一条道路存在。
到2020年，NIH将会看到它在恢复临床研究元气的努力中所获得的某些结果，它所支持的临床试验(大约占服务机构总预算的15%)应解决增强医学的科学基础的问题。例如，由NIH主办的试验应当关注提高临床试验实施效率，为病人亚型开发新技术、检验生物标记并为临床反应确定有生物学意义的替代。这意味着试验将比现在少，但每次试验都会被设计为是对整个临床科学的延伸。
NIH的内部规划约占其资金的10%，依然十分强劲。但是，它还缺少一个明确的使命。它在其新建的、然而未充分利用的临床中心拥有强大而独一无二的设备，现在正需要将这个临床中心推向NIH转变的第一线。
人才是临床研究进步的关键。我们需要在NIH以外，召集由临床研究学者组成的众多骨干，来对人类疾病生理学从事跨学科研究，改变目前的从实验室到临床的单向流程。
如果NIH到2020年实现了这些改革(乐观一点的话到2015年就实现)，则美国在生物医学研究方面的卓越地位将是确定无疑的。
――科拉姆集团理查德·克劳斯纳(Richard Klausner）、加州理工学院戴维·巴尔的摩(David Baltimore)
土壤学
为了避免以往社会的失误，作为2020年的使命，世界必须设法解决全球土壤的剥蚀，这是本世纪最具潜在威胁的、公认的挑战之一。在所有适于耕种的土地中，人类的活动已经造成三分之一表土层的退化或侵蚀。我们还在继续以每年约0.5%的速度失去耕地，而预计到本世纪末，这些流失的耕地能提供超过9亿人的食物。
在二十世纪，使氮肥得以大量生产的哈柏法(Haber-Bosch process)和绿色革命有效地将农业与土壤的职责相分离。增加的产量是通过集中施用化肥，以及使用机械化而实现的。这也造成了土壤中生命的简化和荒芜，降低了当地土壤的肥力。对某些常规农业措施进行的研究表明，一些物种，例如细菌，几乎已被真菌所替代，而后者为大多数植物提供土壤养分。
在一个后石油的世界，由于廉价的化石燃料生产的化肥已经走到尽头，常规的高投入的农业既不破坏生态平衡，又能让生态复原。为确保未来的食品安全和环境保护，将需要周到地考虑调整耕作习惯以适应各种地形和农田，甚至那些长期依赖侵蚀性耕作和袋装化肥的土壤。
实现这些目标，政府应当强有力地为研究提供资金，促进采用能逐渐形成有利于土壤生命和维持土壤生态系统的农业耕作习惯和技术。在今后若干个十年里，像低耕和有机方法等措施可能会恢复本土土壤肥力，存储足够的土壤有机物以抵消全球5——15%化石燃料的排放物。上述措施可通过添加生物碳――即由加热有机废物而得到的一种碳――而进一步提高。
在矿物的薄层中生存的微生物、死去的植物和动物覆盖在这个星球上，是所有陆生生命的母亲，也是每一个国家的最具战略性的资源。尽管我们视它如尘埃。当涉及到土壤、食物和人时，墨守成规不是一个选择，现在到了更绿色革命的时代了。
――《尘埃：对文明的侵蚀(Dirt: The Erosion of Civilizations)》一书作者,华盛顿大学大卫·蒙哥马利(David R. Montgomery)
激 光
这些50年前构想和发明了激光的人们，今天不可能预料到在过去半个世纪里它已担当了如此多的角色：从通讯到环境监测、从制造业到医学、从娱乐到科学研究。
到2020年，激光器将可能发出具有1纳米大小光斑的光束，相当于一个小小分子的尺寸。目标的尺寸小于波长时通常不能用激光或光学显微镜分辨，除非光子是从一个比目标小的孔径射出。采用单个分子大小孔径的吸收激光光源的显微镜将有助于快速、直接地对DNA 和RNA这样的生物分子进行测序。这些微型光束也将在硬盘存储中使用，其密度比今日使用的高出100倍，实现了个人计算机上千兆兆量级的存储。
超精密的基于激光的时钟将测量宇宙膨胀时基本常数的漂移，挑战我们有关描述宇宙起源和演化的理论。
下一代激光将能产生新的物质状态。激光压缩和加热材料，能产生只有在巨大的恒星中心才有的温度，而这样的压力能将氢原子相互挤压，得到比铅还大50倍的密度。由此产生的核聚变反应，可能会在某一天被用来提供几乎无穷无尽的不含碳的能源。充足的聚变燃料存在于大洋中，以当前整个世界的能源需求计，能提供到比宇宙的年龄还长。
到2020年，激光将产生极短的光子爆发――其脉宽比光横贯一个原子所花的时间还短。这些微微微秒级的脉冲将能通过化学反应来设置选通状态，即运动电子的停止活动状态。当振幅达到超高强度时，这些激光将能加速电子和质子的速度以接近光速。这意味着可以建立桌面型粒子加速器以产生具有动能的粒子，而其规模和成本只及今日最大的粒子加速器的一个零头。
是什么原因激励了这些引人注目的目标? 开发新型的激光材料、光源，以及能够让庞大的高强度及新型纳米制造技术获得新生的光学，所有这些都将发生在下一个十年中吗?我们相信是如此。我们或许像1960年代的发明者一样，仍然低估了激光的全部潜力和影响。
――斯坦福大学光电子研究中心托马斯·贝尔(Thomas M. Baer)、罗彻斯特大学天文物理系尼古拉·比格洛(Nicholas P. Bigelow)
生态学
在未来十年生态学家面临的最大实际挑战是：大量我们希望研究的物种在我们能够真正弄清它的真相前就可能突然消亡。地球正日益受到人造生态系统的支配――被人类改造过的景观已被外来物种和能在当地生存的物种杂乱无章地占据。这些是我们研究的合法对象，但在我们能够充分记录和理解它们之前，还存在着相当多实际的、审美的和失去自然生态系统的道德成本。
一项关键性的任务将是预测和减缓生物多样性的丧失以及生态系统功能的退化。第一步是评估如捕食网络这样的生态网的适应能力，特别是它们经受干扰和物种丧失的能力。这将需要来自不同学科的见解和洞察。稳定同位素分析和遗传条纹编码将提供有关在生物群落中捕食者与被食者的更为清晰的图景。
在从个体到群体的多个层次上，对生态系统的空间链接发生了变化。我预计到2020年， 生态理论将越来越多地在微妙的生物有机体细节，以及进化动力学的涵义上受到关切。微生物生态学将成为主流。同时，要了解物种和群落是如何适应地球演变史，则它将是必不可少的。在十年时间里，生态学既将被视为是生物学的核心部分，也将越来越被视为是地球科学必不可少的组成部分。
――佛罗里达大学生物系罗伯特·霍尔特(Robert D. Holt)
代谢学
由新陈代谢过程产生的化学指纹分析已经开始在个性化医疗，尤其是癌症的医治中成为关键性部分。之所以如此，是因为我们知道，人类是携有许多共生生物基因组的新陈代谢的超个体，所有这些都可对个体的生理机能产生影响。人类的新陈代谢深受我们自己的基因与肠道微生物活性间关系的影响，受到日常饮食和环境刺激因素的影响。这种新陈代谢相互作用的产生对疾病的敏感性具有直接影响。
确定人体的新陈代谢过程是如何与肠道微生物相互影响的，是未来几年里优先考虑的事。因为许多条件，包括溃疡性的大肠炎、克罗恩氏病(Crohn's disease)、肥胖、糖尿病和自身免疫失调，都与穷人肠道健康和微生物失衡相关。到2020年，个性化医疗保健会包括由医生监视病人肠道微生物的新陈代谢活动，以及，也许包括在治疗时对其进行控制调节。使用数学模型来说明用核磁共振光谱和质谱分析得到的代谢数据，将帮助我们理解全球范围人类疾病的变化模式，并为药物或营养干预生成新目标。
――伦敦帝国理工学院外科和癌症系主任杰里米·尼科尔森(Jeremy K. Nicholson)、佛罗里达大学生物系罗伯特·霍尔特(Robert D. Holt)
资料来源 Nature
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明日的巨人
2010年7月1日，《自然》杂志和英国皇家学会计划组织一次名为"明日的巨人(Tomorrow's Giants)"的会议(见http://go.nature.com/PWNbfI)。这次会议将提出：在未来几十年里什么才是我们所要的最高质量的学术成果。会议将审视像测量和评估、科学组织、数据和各学科间的成果等主题。《自然》杂志欢迎读者参与，有意者必须首先加入自然网络论坛(网址http://go.nature.com/b1tvCA)。
会议届时将在英国伦敦SE1 8XX ，贝尔维迪尔大街南岸区中心的伊丽莎白女王大厅举行。它将是皇家学会350周年庆祝活动周的一部分(见http://go.nature.com/VLSTMT)。