10000個科學難題：信息科學卷（簡體書）

《10000個科學難題:信息科學卷》是《10000個科學難題》系列叢書中的信息科學卷。為r能夠盡可能全面地反映信息領域的學科全貌，編委會在以信息領域著名專家為編委會主任、副主任委員的基礎卜.，參照了國務院學位委員會的學科結構劃分原則，聘請信息領域六個一級學科的知名專家作為責任編委，據此擴展。《10000個科學難題:信息科學卷》的編撰工作得到了信息領域眾多專家學者的大力支持。由于信息科學本身就是一門應用科學，因此，在編撰過程中圍繞區分“科學難題”而非“技術難題”做了大量工作。為便于讀者瀏覽與閱讀，科普類題目放在最前面，其余則按六個一級學科分類排列。
《10000個科學難題:信息科學卷》可供高等院校和科研單位從事信息科學研究的工作者參考閱讀。希望《10000個科學難題:信息科學卷》在引導廣大青年學子致力于信息科學研究的同時，對從事信息科學研究的科研人員也有所幫助和啟發。

《10000個科學難題:信息科學卷》是“十一五”國家重點圖書出版規劃項目。

《10000個科學難題》序
前言
科普篇
微電子的納米時代
破譯基因表達的調控密碼
Fenllat原理之謎
夢的重建與讀腦術
太赫茲生物分子光譜學一生命之謎的窗口
水聲科學與水下通信
如何持續提升計算機系統的性能?
計算機系統如何成為可靠的系統?
自動編程：如何讓計算機自動地從需求規約生成軟件
電腦(計算機)能否接近人腦?
知識的自動發現
自然語言處理
計算機感知
如何讓計算機實現人工世界?
網絡科學的基本問題
機器學習之模型選擇
操控量子世界
合作演化之謎
微型飛行器控制問題
多相航行器的航行控制問題
微納米生物學系統狀態空間建模
飛行器大包線魯棒飛行控制
腦機接口：人類與機器的對話
測量及儀器科學的發展和面臨的科學難題
光的七個極限問題
空間太陽能發電站
光鑷及其應用
全光開關研究進展
太赫茲波
半導體激光器面臨的挑戰
弱激光治療對人體細胞生物學作用的機理和量效關系
光動力療法的機制及量效作用規律

專題篇
太赫茲波(光)源與探測器
等離子體填充微波器件
太赫茲電真空器件
基于過模互作用電路的回旋放大器
帶狀電子注的成形與傳輸
微波真空電子器件的發展
納米尺度場發射的理論問題
分子電子學的難題
從醫學超聲成像發展看隱含信息的揭示
復合發射陰極與熱一場統一發射模型
自旋電子學中的自旋傳輸矩效應
無缺陷硅單晶
硅基電泵激光
固態太赫茲源
高效率硅量子點激光器
稀磁半導體——內稟磁性的物理機理?
Ⅳ一Ⅵ族半導體光電應用的瓶頸
CMOS工藝特征尺寸的極限是什么?
輻射環境下的單粒子效應
納米集成電路的軟錯誤問題
量子點存儲器中存取速度與保持時間的矛盾
中間能帶半導體
多核芯片系統
集成電路的互連問題
集成電路在納米級工藝下面臨的設計挑戰
編後記

人類基因組計劃的標志性成果就是獲得一本“生命天書”，這本天書的載體就是我們的基因組，其既簡單，又復雜。簡單是因為它僅由A、T、C、G等4個字母構成；復雜是因為它包含了人類生長發育的所有信息，隱含了我們生老病死的規律。人從一個受精卵分裂成多個細胞，進而在不同時間、不同位置上分化為各種類型的細胞，構成組織和器官，直到發育成一個完整的個體，這個過程受到嚴格的程序控制，任何差錯都有可能導致嚴重的缺陷和疾病，而控制著這一切的遺傳信息都記錄在基因組DNA的雙螺旋分子中。通常，人體中的每個細胞都含有相同的基因組DNA，但在不同類型的細胞中，能將遺傳信息表達出來的基因各不相同，從而能夠讓各類細胞行使不同功能。生命的信息究竟是如何組織在基因組中，如何實現對基因表達的精確控制呢？這是目前科學研究者所關注并努力探索的重大科學難題。
1.基因組的兩類信息
基因是指攜帶有遺傳信息的DNA序列，基因表達是指DNA轉錄為RNA，RNA翻譯成蛋白質的過程。基因組編碼有兩類主要信息：一是編碼蛋白質的基因；二是引導基因在特定時空表達的調控信息。20世紀60年代，科學家揭示了基因的信息編碼方式，即三聯體密碼。基因密碼最早在簡單的生命體細菌中被發現，這種基本的遺傳指令為所有生命所共享。基因密碼的發現拉開了在分子水平上進行生命信息科學研究的序幕，啟動了人類探索遺傳語言奧秘的進程。基因組DNA序列并非是一種簡單的生物分子序列，而是一種語言的表示形式，該語言以特殊的方式組織和編碼生命的遺傳信息，控制生物體的生長發育過程，控制生物體的性狀。DNA分子通過復雜而準確的信息復制、信息傳遞和信息表達，構成不同類型的細胞，形成不同的組織和器官，最終發育成為完整的生命體，一個具體的生命體是基因組信息的生動表現。從20世紀90年代以來，隨著基因組學研究的不斷深入，人們對基因組中信息組織結構和信息組織規律的認識也在不斷深化。在人類基因組計劃開始前，科學家們估計人類至少擁有十萬個基因。然而基因組測序結果表明，人的基因組僅包含兩萬多個基因。相比之下，就連低等動物線蟲的基因組也有近兩萬個基因，而且大部分基因編碼的蛋白質與人類基因非常相似。顯然，基因的數量并不能反映生物體的復雜程度。