在愛因斯坦（Albert Einstein）提出描述引力的廣義相對論的幾年后，一個叫卡魯扎（Theodor Kaluza）的年輕波蘭數(shù)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(tǒng)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(fā)表其經(jīng)典論文的100年后，我們?nèi)匀粵]有答案。如今，物理學家想要做的是把引力、電磁力，以及在卡魯扎時代之后才發(fā)現(xiàn)的強力和弱力全部統(tǒng)一起來，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(jù)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(lǐng)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(guān)，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么？這里，我們從《科學》和上海交大在不久前發(fā)布的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(guān)注前沿研究。
DNA、蛋白質(zhì)、糖，這些對生命至關(guān)重要的分子，都有著一個顯著的特征，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?qū)毎刂g的相互作用產(chǎn)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(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”有了不同的定義之后。
孤獨癥譜系障礙（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“譜系障礙”，是因為它包括一系列以不同方式表現(xiàn)出來的不同嚴重程度的癥狀。它的表現(xiàn)包括在社交和互動上的障礙、感覺異常、重復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，其中多動癥和注意力障礙、焦慮、抑郁和癲癇相當普遍。
自閉癥的診斷是在獲得了詳細的發(fā)育經(jīng)歷，以及觀察患者與父母或其他個體之間的互動后得出的。世界范圍內(nèi)的自閉癥患病率略低于1%，但據(jù)估計高收入國家的患病率會更高一些。雖然關(guān)于自閉癥的研究已經(jīng)有了很長的歷史，但它的成因仍然是個謎?？茖W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險，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抗疾病最重要的武器。免疫系統(tǒng)對于抵御癌癥尤其重要，因為癌細胞會不受控制地分裂并在組織中遷移。根據(jù)國際癌癥研究機構(gòu)的調(diào)查數(shù)據(jù)，僅在2018年，就有1810萬人被診斷出患有某種癌癥。
通過幾十年的實驗室研究和臨床研究，我們在治療癌癥方面取得了重要進展。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，科學家對免疫系統(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)來治療癌癥。T細胞療法是癌癥治療的最新范例，它們能將免疫細胞移除、修改，然后返回患者的血液中尋找并摧毀癌細胞。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(shù)幾種癌癥，對占絕大多數(shù)癌癥的實體腫瘤沒有成功。
2020年，卡迪夫大學的研究人員發(fā)布了一項新的方案，利用這種方法能在實驗室環(huán)境中殺死大多數(shù)人類癌癥類型，并且不攻擊正常細胞。他們通過CRISPR-Cas9篩查術(shù)，發(fā)現(xiàn)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(nèi)的每個細胞表面都存在的一種分子?？茖W家觀察到，這種T細胞能在不與正常組織發(fā)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(chǎn)生一種“一站式”的癌癥治療，因為它具有摧毀多不同類型癌癥的潛力。目前，科學家還需對此進行更多的研究，以了解背后的確切機制。
超導體是一種能在零電阻下導電的材料，它是醫(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)展出如量子計算機一類的更強大、更通用的技術(shù)，科學家正在努力研發(fā)能在室溫下運作的超導體，但這一目標一直沒有實現(xiàn)。這是一項巨大的挑戰(zhàn)，它實現(xiàn)的前提是我們能更好地理解高溫超導的機制。高溫超導發(fā)生在77K（液氮沸點）以上，物理學家已經(jīng)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布，他們終于創(chuàng)造出了第一個室溫超導體。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——氫氣、硫化氫和甲烷，再用綠色的激光照射金剛石，引發(fā)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(chuàng)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(gòu)成了一個被稱為“時空”的四維結(jié)構(gòu)。但是，空間和時間在一些非?；镜姆矫媸怯兴煌?。在空間中，我們可以隨心所欲地自由移動；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(jù)根據(jù)熱力學第二定律，一個物理系統(tǒng)的熵總是隨著時間的推移而增加，換句話說，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(tǒng)一旦達到完全無序狀態(tài)，即平衡狀態(tài)，熵便不會再增加，時間之箭也就消失了。我們現(xiàn)在正在經(jīng)歷時間的前進，正是因為我們還沒有達到平衡狀態(tài)。宇宙中的熵一直在上升，因為它之前的值較低，但為什么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(zhì)進入高熵狀態(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）都會燃燒殆盡，達到平衡狀態(tài)，時間之箭消失。
#創(chuàng)作團隊：
撰文：原原
設計：岳岳
#參考來源：
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：DavidRockDesign / Pixabay
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