空間中有多少個維度?

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愛因斯坦(Albert Einstein)提出描述引力的廣義相對論的幾年後,一個叫卡魯扎(Theodor Kaluza)的年輕波蘭數學家試圖通過在已知的四維時空上再增加一個額外的空間維度,統一引力和電磁力。卡魯扎設想的這個維度非常非常小,所以我們才無法察覺到它的存在。

但真的存在額外維度嗎?如果是,空間中又有多少個維度呢?在卡魯扎發表其經典論文的100年後,我們仍然沒有答案。如今,物理學家想要做的是把引力、電磁力,以及在卡魯扎時代之後才發現的強力弱力全部統一起來,為了統一自然界中的這四種基本力,他們發展了像弦論這樣野心勃勃的理論。弦論認為或許有超過10個維度存在,只是物理學家至今還沒有找到證據來證明或否定這些額外維度的存在。

空間中有多少個維僅僅只是科學家好奇的眾多問題之一。在所有的學科領域中,都有各自的一份未解大問題榜單。這些問題,有的與我們的生活息息相關,比如我們會找到治療感冒的方法嗎?有的則離我們非常遙遠,比如宇宙的最終命運是什麼?這裡,我們從《科學》和上海交大在不久前發佈的125個科學問題中挑選了其中5個問題,希望能夠讓更多的人關注前沿研究。

DNA、蛋白質、糖,這些對生命至關重要的分子,都有著一個顯著的特徵,那就是它們都具有「旋向性」,也就是手性。雖然這些分子能夠自然地以左旋和右旋兩種形式出現,但在生物體中,我們只發現了右旋分子。

手性在生命起到了至關重要的作用,驅動細胞運作的許多化學反應只對有著正確手性的分子起作用。因此,能夠對細胞元素之間的相互作用產生重要影響的手性,被許多科學家認為是生物化學的重要組成部分。

更令人費解的是,相同分子的不同手性在化學上具有相同的行為,這使得很難從非手性前體中只產生出一種手性分子。早期生命是如何以及為何偏向了某一種手性,這是生物學上的一個主要問題。目前科學家尚不清楚手性是否是生命的決定性要求,尤其是當未來人類對「生命」有了不同的定義之後。

孤獨症譜系障礙(ASD),又稱自閉症,是一種常見的、高度遺傳的異質性神經發育障礙。自閉症之所以被稱為一個「譜系障礙」,是因為它包括一系列以不同方式表現出來的不同嚴重程度的症狀。它的表現包括在社交和互動上的障礙、感覺異常、重複行為和不同程度的智力殘疾。除了這些核心症狀,與之相伴出現的精神或神經障礙在自閉症患者中也很常見,其中多動症和注意力障礙、焦慮、抑鬱和癲癇相當普遍。

自閉症的診斷是在獲得了詳細的發育經歷,以及觀察患者與父母或其他個體之間的互動後得出的。世界範圍內的自閉症患病率略低於1%,但據估計高收入國家的患病率會更高一些。雖然關於自閉症的研究已經有了很長的歷史,但它的成因仍然是個謎。科學家已經了解遺傳和環境因素有可能增加患自閉症的風險,但仍缺乏能夠確定病因的確鑿證據。

我們自身的免疫力是我們對抗疾病最重要的武器。免疫系統對於抵禦癌症尤其重要,因為癌細胞會不受控制地分裂並在組織中遷移。根據國際癌症研究機構的調查資料,僅在2018年,就有1810萬人被診斷出患有某種癌症。

通過幾十年的實驗室研究和臨床研究,我們在治療癌症方面取得了重要進展。癌症是由DNA出現了突變而引起的,而這種突變可能是由內部刺激或環境刺激所觸發的。某些干預措施,如手術、化療和放療,在某些情況下可以極大地改善生存率。

近年來,科學家對免疫系統的本質的研究有了一些令人欣喜的發現,這些發現帶來一些基於免疫療法的治療方法,這些方法利用的是人體自身的免疫系統來治療癌症。T細胞療法是癌症治療的最新範例,它們能將免疫細胞移除、修改,然後返回患者的血液中尋找並摧毀癌細胞。最廣泛T細胞治療方法是CAR-T,這是一種針對不同病人的個性化化治療,但它只能針對少數幾種癌症,對佔絕大多數癌症的實體腫瘤沒有成功。

2020年,卡迪夫大學的研究人員發佈了一項新的方案,利用這種方法能在實驗室環境中殺死大多數人類癌症類型,並且不攻擊正常細胞。他們通過CRISPR-Cas9篩查術,發現了一種帶有新型T細胞受體的T細胞,這種受體能與MR1相互作用。MR1是人體內的每個細胞表面都存在的一種分子。科學家觀察到,這種T細胞能在不與正常組織發生接觸的情況下,殺死大量在實驗室中生長的癌細胞。使用這種T細胞進行治療或能產生一種「一站式」的癌症治療,因為它具有摧毀多不同類型癌症的潛力。目前,科學家還需對此進行更多的研究,以了解背後的確切機制。

超導體是一種能在零電阻下導電的材料,它是醫藥、能源和交通領域的革命性創新的重要組成部分。為了發展出如量子計算機一類的更強大、更通用的技術,科學家正在努力研發能在室溫下運作的超導體,但這一目標一直沒有實現。這是一項巨大的挑戰,它實現的前提是我們能更好地理解高溫超導的機制。高溫超導發生在77K(液氮沸點)以上,物理學家已經嘗試在實驗室中試驗不同類型的超導材料來解決這個難題。

2020年, 羅切斯特大學的物理學家宣佈,他們終於創造出了第一個室溫超導體。他們發現了一種由三種元素組成的材料,把用碳和硫研磨而成的微小固體顆粒置於金剛石壓砧室中,然後用輸入三種氣體——氫氣、硫化氫和甲烷,再用綠色的鐳射照射金剛石,引發化學反應,使碳、氫、硫混合物變成一種透明晶體。當壓強增加到267GPa時,這種材料的超導臨界溫度達到了創紀錄的288K,是一個寒冷房間或一個理想酒窖就可輕易達到的溫度。

自愛因斯坦以來,物理學家開始認為空間和時間構成了一個被稱為「時空」的四維結構。但是,空間和時間在一些非常基本的方面是有所不同的。在空間中,我們可以隨心所欲地自由移動;而時間卻不一樣,我們只會越來越老,不會越來越年輕,我們能記得過去,但不知道未來。與空間不同,時間似乎有一個偏愛的方向,即物理學家口中的「時間之箭」。

一些物理學家認為,熱力學第二定律為此提供了一個線索。根據根據熱力學第二定律,一個物理系統的熵總是隨著時間的推移而增加,換句話說,孤立系統從低熵狀態向高熵狀態轉變,從有序變為混沌,從而給了時間以方向。

隨著時間的推移,我們觀察到的實際是熵的增加。一個系統一旦達到完全無序狀態,即平衡狀態,熵便不會再增加,時間之箭也就消失了。我們現在正在經歷時間的前進,正是因為我們還沒有達到平衡狀態。宇宙中的熵一直在上升,因為它之前的值較低,但為什麼一開始的時候熵值會比較低呢?138億年前,當宇宙大爆炸時,宇宙的熵值是否低得異常?

對一些物理學家來說,他們認為這是一塊缺失的資訊,如果能夠解釋早期宇宙的熵值為何很低,那麼就能解釋關於時間之箭等問題。時間之箭是宇宙學中一個有趣的問題,大爆炸加速了所有物質進入高熵狀態。隨著宇宙的繼續膨脹,最終它的所有組成部分(恆星、黑洞、星系)都會燃燒殆盡,達到平衡狀態,時間之箭消失。

注:點選文末閱讀原文可查看全部125個問題。

#創作團隊:

撰文:原原

設計:嶽嶽

#參考來源:

https://arxiv.org/pdf/1803.08616.pdf

https://www.sciencemag.org/collections/125-questions-exploration-and-discovery

https://www.iis.u-tokyo.ac.jp/en/news/3185/

https://www.nature.com/articles/s41572-019-0138-4

https://www.cardiff.ac.uk/news/view/1749599-discovery-of-new-t-cell-raises-prospect-of-universal-cancer-therapy

https://www.nbcnews.com/mach/science/7-biggest-unanswered-questions-physics-ncna789666

https://link.springer.com/article/10.1007/s10948-020-05767-w

#圖片來源:

手性:Clker-Free-Vector-Images / Pixabay

自閉症:OpenClipart-Vectors / Pixabay

癌症:OpenClipart-Vectors / Pixabay、GDJ / Pixabay、ColiN00B / Pixabay、905513 / Pixabay、BrianSarubbi97 / Pixabay

超導:DavidRockDesign / Pixabay

時間:Clker-Free-Vector-Images / Pixabay、AnnaliseArt / Pixabay

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