空间中有多少个维度?

发布: | 发布时间:2021-09-12,星期日 | 阅读:23

爱因斯坦(Albert Einstein)提出描述引力的广义相对论的几年后,一个叫卡鲁扎(Theodor Kaluza)的年轻波兰数学家试图通过在已知的四维时空上再增加一个额外的空间维度,统一引力和电磁力。卡鲁扎设想的这个维度非常非常小,所以我们才无法察觉到它的存在。

但真的存在额外维度吗?如果是,空间中又有多少个维度呢?在卡鲁扎发表其经典论文的100年后,我们仍然没有答案。如今,物理学家想要做的是把引力、电磁力,以及在卡鲁扎时代之后才发现的强力弱力全部统一起来,为了统一自然界中的这四种基本力,他们发展了像弦论这样野心勃勃的理论。弦论认为或许有超过10个维度存在,只是物理学家至今还没有找到证据来证明或否定这些额外维度的存在。

空间中有多少个维仅仅只是科学家好奇的众多问题之一。在所有的学科领域中,都有各自的一份未解大问题榜单。这些问题,有的与我们的生活息息相关,比如我们会找到治疗感冒的方法吗?有的则离我们非常遥远,比如宇宙的最终命运是什么?这里,我们从《科学》和上海交大在不久前发布的125个科学问题中挑选了其中5个问题,希望能够让更多的人关注前沿研究。

01

DNA、蛋白质、糖,这些对生命至关重要的分子,都有着一个显著的特征,那就是它们都具有“旋向性”,也就是手性。虽然这些分子能够自然地以左旋和右旋两种形式出现,但在生物体中,我们只发现了右旋分子。

手性在生命起到了至关重要的作用,驱动细胞运作的许多化学反应只对有着正确手性的分子起作用。因此,能够对细胞元素之间的相互作用产生重要影响的手性,被许多科学家认为是生物化学的重要组成部分。

更令人费解的是,相同分子的不同手性在化学上具有相同的行为,这使得很难从非手性前体中只产生出一种手性分子。早期生命是如何以及为何偏向了某一种手性,这是生物学上的一个主要问题。目前科学家尚不清楚手性是否是生命的决定性要求,尤其是当未来人类对“生命”有了不同的定义之后。

02

孤独症谱系障碍(ASD),又称自闭症,是一种常见的、高度遗传的异质性神经发育障碍。自闭症之所以被称为一个“谱系障碍”,是因为它包括一系列以不同方式表现出来的不同严重程度的症状。它的表现包括在社交和互动上的障碍、感觉异常、重复行为和不同程度的智力残疾。除了这些核心症状,与之相伴出现的精神或神经障碍在自闭症患者中也很常见,其中多动症和注意力障碍、焦虑、抑郁和癫痫相当普遍。

自闭症的诊断是在获得了详细的发育经历,以及观察患者与父母或其他个体之间的互动后得出的。世界范围内的自闭症患病率略低于1%,但据估计高收入国家的患病率会更高一些。虽然关于自闭症的研究已经有了很长的历史,但它的成因仍然是个谜。科学家已经了解遗传和环境因素有可能增加患自闭症的风险,但仍缺乏能够确定病因的确凿证据。

03

我们自身的免疫力是我们对抗疾病最重要的武器。免疫系统对于抵御癌症尤其重要,因为癌细胞会不受控制地分裂并在组织中迁移。根据国际癌症研究机构的调查数据,仅在2018年,就有1810万人被诊断出患有某种癌症。

通过几十年的实验室研究和临床研究,我们在治疗癌症方面取得了重要进展。癌症是由DNA出现了突变而引起的,而这种突变可能是由内部刺激或环境刺激所触发的。某些干预措施,如手术、化疗和放疗,在某些情况下可以极大地改善生存率。

近年来,科学家对免疫系统的本质的研究有了一些令人欣喜的发现,这些发现带来一些基于免疫疗法的治疗方法,这些方法利用的是人体自身的免疫系统来治疗癌症。T细胞疗法是癌症治疗的最新范例,它们能将免疫细胞移除、修改,然后返回患者的血液中寻找并摧毁癌细胞。最广泛T细胞治疗方法是CAR-T,这是一种针对不同病人的个性化化治疗,但它只能针对少数几种癌症,对占绝大多数癌症的实体肿瘤没有成功。

2020年,卡迪夫大学的研究人员发布了一项新的方案,利用这种方法能在实验室环境中杀死大多数人类癌症类型,并且不攻击正常细胞。他们通过CRISPR-Cas9筛查术,发现了一种带有新型T细胞受体的T细胞,这种受体能与MR1相互作用。MR1是人体内的每个细胞表面都存在的一种分子。科学家观察到,这种T细胞能在不与正常组织发生接触的情况下,杀死大量在实验室中生长的癌细胞。使用这种T细胞进行治疗或能产生一种“一站式”的癌症治疗,因为它具有摧毁多不同类型癌症的潜力。目前,科学家还需对此进行更多的研究,以了解背后的确切机制。

04

超导体是一种能在零电阻下导电的材料,它是医药、能源和交通领域的革命性创新的重要组成部分。为了发展出如量子计算机一类的更强大、更通用的技术,科学家正在努力研发能在室温下运作的超导体,但这一目标一直没有实现。这是一项巨大的挑战,它实现的前提是我们能更好地理解高温超导的机制。高温超导发生在77K(液氮沸点)以上,物理学家已经尝试在实验室中试验不同类型的超导材料来解决这个难题。

2020年, 罗切斯特大学的物理学家宣布,他们终于创造出了第一个室温超导体。他们发现了一种由三种元素组成的材料,把用碳和硫研磨而成的微小固体颗粒置于金刚石压砧室中,然后用输入三种气体——氢气、硫化氢和甲烷,再用绿色的激光照射金刚石,引发化学反应,使碳、氢、硫混合物变成一种透明晶体。当压强增加到267GPa时,这种材料的超导临界温度达到了创纪录的288K,是一个寒冷房间或一个理想酒窖就可轻易达到的温度。

05

自爱因斯坦以来,物理学家开始认为空间和时间构成了一个被称为“时空”的四维结构。但是,空间和时间在一些非常基本的方面是有所不同的。在空间中,我们可以随心所欲地自由移动;而时间却不一样,我们只会越来越老,不会越来越年轻,我们能记得过去,但不知道未来。与空间不同,时间似乎有一个偏爱的方向,即物理学家口中的“时间之箭”。

一些物理学家认为,热力学第二定律为此提供了一个线索。根据根据热力学第二定律,一个物理系统的熵总是随着时间的推移而增加,换句话说,孤立系统从低熵状态向高熵状态转变,从有序变为混沌,从而给了时间以方向。

随着时间的推移,我们观察到的实际是熵的增加。一个系统一旦达到完全无序状态,即平衡状态,熵便不会再增加,时间之箭也就消失了。我们现在正在经历时间的前进,正是因为我们还没有达到平衡状态。宇宙中的熵一直在上升,因为它之前的值较低,但为什么一开始的时候熵值会比较低呢?138亿年前,当宇宙大爆炸时,宇宙的熵值是否低得异常?

对一些物理学家来说,他们认为这是一块缺失的信息,如果能够解释早期宇宙的熵值为何很低,那么就能解释关于时间之箭等问题。时间之箭是宇宙学中一个有趣的问题,大爆炸加速了所有物质进入高熵状态。随着宇宙的继续膨胀,最终它的所有组成部分(恒星、黑洞、星系)都会燃烧殆尽,达到平衡状态,时间之箭消失。


#参考来源:

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

#图片来源:

手性:Clker-Free-Vector-Images / Pixabay

自闭症:OpenClipart-Vectors / Pixabay

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

超导:DavidRockDesign / Pixabay

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来源:原理 Principia



 

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