在愛因斯坦（Albert Einstein）提出描述引力的廣義相對(duì)論的幾年后，一個(gè)叫卡魯扎（Theodor Kaluza）的年輕波蘭數(shù)學(xué)家試圖通過(guò)在已知的四維時(shí)空上再增加一個(gè)額外的空間維度，統(tǒng)一引力和電磁力。卡魯扎設(shè)想的這個(gè)維度非常非常小，所以我們才無(wú)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(gè)維度呢？在卡魯扎發(fā)表其經(jīng)典論文的100年后，我們?nèi)匀粵]有答案。如今，物理學(xué)家想要做的是把引力、電磁力，以及在卡魯扎時(shí)代之后才發(fā)現(xiàn)的強(qiáng)力和弱力全部統(tǒng)一起來(lái)，為了統(tǒng)一自然界中的這四種基本力，他們發(fā)展了像弦論這樣野心勃勃的理論。弦論認(rèn)為或許有超過(guò)10個(gè)維度存在，只是物理學(xué)家至今還沒有找到證據(jù)來(lái)證明或否定這些額外維度的存在。

空間中有多少個(gè)維僅僅只是科學(xué)家好奇的眾多問(wèn)題之一。在所有的學(xué)科領(lǐng)域中，都有各自的一份未解大問(wèn)題榜單。這些問(wèn)題，有的與我們的生活息息相關(guān)，比如我們會(huì)找到治療感冒的方法嗎？有的則離我們非常遙遠(yuǎn)，比如宇宙的最終命運(yùn)是什么？這里，我們從《科學(xué)》和上海交大在不久前發(fā)布的125個(gè)科學(xué)問(wèn)題中挑選了其中5個(gè)問(wèn)題，希望能夠讓更多的人關(guān)注前沿研究。

DNA、蛋白質(zhì)、糖，這些對(duì)生命至關(guān)重要的分子，都有著一個(gè)顯著的特征，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(xiàn)，但在生物體中，我們只發(fā)現(xiàn)了右旋分子。

手性在生命起到了至關(guān)重要的作用，驅(qū)動(dòng)細(xì)胞運(yùn)作的許多化學(xué)反應(yīng)只對(duì)有著正確手性的分子起作用。因此，能夠?qū)?xì)胞元素之間的相互作用產(chǎn)生重要影響的手性，被許多科學(xué)家認(rèn)為是生物化學(xué)的重要組成部分。

更令人費(fèi)解的是，相同分子的不同手性在化學(xué)上具有相同的行為，這使得很難從非手性前體中只產(chǎn)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(xué)上的一個(gè)主要問(wèn)題。目前科學(xué)家尚不清楚手性是否是生命的決定性要求，尤其是當(dāng)未來(lái)人類對(duì)“生命”有了不同的定義之后。

孤獨(dú)癥譜系障礙（ASD），又稱自閉癥，是一種常見的、高度遺傳的異質(zhì)性神經(jīng)發(fā)育障礙。自閉癥之所以被稱為一個(gè)“譜系障礙”，是因?yàn)樗ㄒ幌盗幸圆煌绞奖憩F(xiàn)出來(lái)的不同嚴(yán)重程度的癥狀。它的表現(xiàn)包括在社交和互動(dòng)上的障礙、感覺異常、重復(fù)行為和不同程度的智力殘疾。除了這些核心癥狀，與之相伴出現(xiàn)的精神或神經(jīng)障礙在自閉癥患者中也很常見，其中多動(dòng)癥和注意力障礙、焦慮、抑郁和癲癇相當(dāng)普遍。

自閉癥的診斷是在獲得了詳細(xì)的發(fā)育經(jīng)歷，以及觀察患者與父母或其他個(gè)體之間的互動(dòng)后得出的。世界范圍內(nèi)的自閉癥患病率略低于1%，但據(jù)估計(jì)高收入國(guó)家的患病率會(huì)更高一些。雖然關(guān)于自閉癥的研究已經(jīng)有了很長(zhǎng)的歷史，但它的成因仍然是個(gè)謎?？茖W(xué)家已經(jīng)了解遺傳和環(huán)境因素有可能增加患自閉癥的風(fēng)險(xiǎn)，但仍缺乏能夠確定病因的確鑿證據(jù)。

我們自身的免疫力是我們對(duì)抗疾病最重要的武器。免疫系統(tǒng)對(duì)于抵御癌癥尤其重要，因?yàn)榘┘?xì)胞會(huì)不受控制地分裂并在組織中遷移。根據(jù)國(guó)際癌癥研究機(jī)構(gòu)的調(diào)查數(shù)據(jù)，僅在2018年，就有1810萬(wàn)人被診斷出患有某種癌癥。

通過(guò)幾十年的實(shí)驗(yàn)室研究和臨床研究，我們?cè)谥委煱┌Y方面取得了重要進(jìn)展。癌癥是由DNA出現(xiàn)了突變而引起的，而這種突變可能是由內(nèi)部刺激或環(huán)境刺激所觸發(fā)的。某些干預(yù)措施，如手術(shù)、化療和放療，在某些情況下可以極大地改善生存率。

近年來(lái)，科學(xué)家對(duì)免疫系統(tǒng)的本質(zhì)的研究有了一些令人欣喜的發(fā)現(xiàn)，這些發(fā)現(xiàn)帶來(lái)一些基于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(tǒng)來(lái)治療癌癥。T細(xì)胞療法是癌癥治療的最新范例，它們能將免疫細(xì)胞移除、修改，然后返回患者的血液中尋找并摧毀癌細(xì)胞。最廣泛T細(xì)胞治療方法是CAR-T，這是一種針對(duì)不同病人的個(gè)性化化治療，但它只能針對(duì)少數(shù)幾種癌癥，對(duì)占絕大多數(shù)癌癥的實(shí)體腫瘤沒有成功。

2020年，卡迪夫大學(xué)的研究人員發(fā)布了一項(xiàng)新的方案，利用這種方法能在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中殺死大多數(shù)人類癌癥類型，并且不攻擊正常細(xì)胞。他們通過(guò)CRISPR-Cas9篩查術(shù)，發(fā)現(xiàn)了一種帶有新型T細(xì)胞受體的T細(xì)胞，這種受體能與MR1相互作用。MR1是人體內(nèi)的每個(gè)細(xì)胞表面都存在的一種分子。科學(xué)家觀察到，這種T細(xì)胞能在不與正常組織發(fā)生接觸的情況下，殺死大量在實(shí)驗(yàn)室中生長(zhǎng)的癌細(xì)胞。使用這種T細(xì)胞進(jìn)行治療或能產(chǎn)生一種“一站式”的癌癥治療，因?yàn)樗哂写輾Ф嗖煌愋桶┌Y的潛力。目前，科學(xué)家還需對(duì)此進(jìn)行更多的研究，以了解背后的確切機(jī)制。

超導(dǎo)體是一種能在零電阻下導(dǎo)電的材料，它是醫(yī)藥、能源和交通領(lǐng)域的革命性創(chuàng)新的重要組成部分。為了發(fā)展出如量子計(jì)算機(jī)一類的更強(qiáng)大、更通用的技術(shù)，科學(xué)家正在努力研發(fā)能在室溫下運(yùn)作的超導(dǎo)體，但這一目標(biāo)一直沒有實(shí)現(xiàn)。這是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)，它實(shí)現(xiàn)的前提是我們能更好地理解高溫超導(dǎo)的機(jī)制。高溫超導(dǎo)發(fā)生在77K（液氮沸點(diǎn)）以上，物理學(xué)家已經(jīng)嘗試在實(shí)驗(yàn)室中試驗(yàn)不同類型的超導(dǎo)材料來(lái)解決這個(gè)難題。

2020年， 羅切斯特大學(xué)的物理學(xué)家宣布，他們終于創(chuàng)造出了第一個(gè)室溫超導(dǎo)體。他們發(fā)現(xiàn)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于金剛石壓砧室中，然后用輸入三種氣體——?dú)錃?、硫化氫和甲烷，再用綠色的激光照射金剛石，引發(fā)化學(xué)反應(yīng)，使碳、氫、硫混合物變成一種透明晶體。當(dāng)壓強(qiáng)增加到267GPa時(shí)，這種材料的超導(dǎo)臨界溫度達(dá)到了創(chuàng)紀(jì)錄的288K，是一個(gè)寒冷房間或一個(gè)理想酒窖就可輕易達(dá)到的溫度。

自愛因斯坦以來(lái)，物理學(xué)家開始認(rèn)為空間和時(shí)間構(gòu)成了一個(gè)被稱為“時(shí)空”的四維結(jié)構(gòu)。但是，空間和時(shí)間在一些非?；镜姆矫媸怯兴煌?。在空間中，我們可以隨心所欲地自由移動(dòng)；而時(shí)間卻不一樣，我們只會(huì)越來(lái)越老，不會(huì)越來(lái)越年輕，我們能記得過(guò)去，但不知道未來(lái)。與空間不同，時(shí)間似乎有一個(gè)偏愛的方向，即物理學(xué)家口中的“時(shí)間之箭”。

一些物理學(xué)家認(rèn)為，熱力學(xué)第二定律為此提供了一個(gè)線索。根據(jù)根據(jù)熱力學(xué)第二定律，一個(gè)物理系統(tǒng)的熵總是隨著時(shí)間的推移而增加，換句話說(shuō)，孤立系統(tǒng)從低熵狀態(tài)向高熵狀態(tài)轉(zhuǎn)變，從有序變?yōu)榛煦纾瑥亩o了時(shí)間以方向。

隨著時(shí)間的推移，我們觀察到的實(shí)際是熵的增加。一個(gè)系統(tǒng)一旦達(dá)到完全無(wú)序狀態(tài)，即平衡狀態(tài)，熵便不會(huì)再增加，時(shí)間之箭也就消失了。我們現(xiàn)在正在經(jīng)歷時(shí)間的前進(jìn)，正是因?yàn)槲覀冞€沒有達(dá)到平衡狀態(tài)。宇宙中的熵一直在上升，因?yàn)樗暗闹递^低，但為什么一開始的時(shí)候熵值會(huì)比較低呢？138億年前，當(dāng)宇宙大爆炸時(shí)，宇宙的熵值是否低得異常？

對(duì)一些物理學(xué)家來(lái)說(shuō)，他們認(rèn)為這是一塊缺失的信息，如果能夠解釋早期宇宙的熵值為何很低，那么就能解釋關(guān)于時(shí)間之箭等問(wèn)題。時(shí)間之箭是宇宙學(xué)中一個(gè)有趣的問(wèn)題，大爆炸加速了所有物質(zhì)進(jìn)入高熵狀態(tài)。隨著宇宙的繼續(xù)膨脹，最終它的所有組成部分（恒星、黑洞、星系）都會(huì)燃燒殆盡，達(dá)到平衡狀態(tài)，時(shí)間之箭消失。

#創(chuàng)作團(tuán)隊(duì)：

撰文：原原

設(shè)計(jì)：岳岳

#參考來(lái)源：

arxiv.org/pdf/1803.08616.pdf

sciencemag.org/collections/125-questions-exploration-and-discovery

iis.u-tokyo.ac.jp/en/news/3185/

nature/articles/s41572-019-0138-4

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

nbcnews/mach/science/7-biggest-unanswered-questions-physics-ncna789666

link.springer/article/10.1007/s10948-020-05767-w

#圖片來(lái)源：

手性：Clker-Free-Vector-Images / Pixabay

自閉癥：OpenClipart-Vectors / Pixabay

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

超導(dǎo)：DavidRockDesign / Pixabay

時(shí)間：Clker-Free-Vector-Images / Pixabay、AnnaliseArt / Pixabay