比如，世界是由什么构成的，物质是由什么构成的？这些看似终极的问题，却有望通过物理学家的努力得到一定的答案。
希格斯粒子，这种被认为是万物质量产生源泉的“上帝粒子”，就是回答这两个问题的关键所在。2012年7月，欧洲核子中心宣布大型强子对撞机实验发现了一个类似希格斯粒子的新粒子，若它就是作为“标准模型”预言的希格斯粒子，那么通过对其性质的研究，将使人类对微观世界的认识提高到一个新的水平。当然，如果希格斯粒子不存在，人类过去50年的物理认知体系就存在漏洞，需要全新的理论来描述微观世界。
此外，到目前，自然界并没有观察到反物质，但是宇宙起源于137亿年前的大爆炸，按照基本粒子理论，应该产生的正物质和反物质是一样多的。而中微子震荡实验将在未来十年有望加快破解“反物质消失之谜”。张双南告诉记者，根据2020报告，这些问题都有望在未来十年得到突破性的进展。
另一个突破，有望在未知的宇宙空间得以实现，而抓手，就是暗物质，这个不发光、人类完全不知道的新物质，是超出现有粒子物理标准模型的全新粒子，对其研究有望真正破解宇宙起源的奥秘。2020报告提到，未来几年内，人类将利用地面大型探测装置及空间探测实验，很可能探测到暗物质粒子并揭开暗物质之谜，而这，将成为21世纪人类最伟大的发现之一。
为人类所魂牵梦萦的地外生命，也有望得到突破性的探索。刚刚过去的2015年，美国人对火星的研究已经发现了存在大量地下水的证据和其他支持生命存在的迹象。2020报告也明确提到，目前正在开展和即将实施的若干国际探测计划，有可能在不久的将来在地球系统以外发现生命和生命存在的证据。
这些带着终极探索意味的领域，将迎来诸多实力雄厚组织的角逐。当欧空局的火星探测计划打算要去火星表面两米以下寻找水和生命的痕迹之时，美国航天局被称作“下一代哈勃望远镜”的詹姆斯韦伯太空望远镜（JWST)将会以相当于哈勃望远镜100倍左右的观察能力在2018年之前面世。
2020报告甚至勾勒出了一幅生动的宇宙图景：在未来几年里，人类将首次实施对太阳的近距离观测，美国旅行者号飞船将飞越日球层边界。有关生命科学和人体科学、微重力科学、地球科学等多项研究将随之展开。
中科院国家空间科学主任吴季在接受中国青年报记者采访时表示，在空间观测的研究中，大型精密仪器的研发正是各个国家相互合作和竞争的焦点。
当然，还有人类关于自我的探索。2010年，美国科学家实现人工合成支原体基因组，培育出由人造基因组控制、可自我复制的细菌细胞，人类首个“人造生命”实现了。2020报告则预言，“在未来十年，有望在人工设计并合成生物分子、生命线路、细胞器乃至真核细胞染色体等‘人造生命’方面取得重大突破，在医药、能源、材料、农业、环境等方面展现潜力”。此外，在未来几年里，基于干细胞的新生命繁衍方式也有望出现，届时，人造精子和卵子也将得以实现——这既是新的生命繁衍方式的创造，也是对生命伦理的新挑战。
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