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科學研究能吃嗎?粒子加速器的食用價值——抖宅翻譯蒟蒻

自從大抖宅開始進行物理研究之後,第二常被問到的問題便是:「這能當飯吃嗎?有什麼食(實)用價值?」雖然知識確實不能吃,許多基礎科學研究乍看之下對日常生活也不會有什麼影響,但若只以「能否拼經濟」、「是否實用」來作為學術的評價標準,恐怕是忽略了科學影響世界的過往歷史——當我們回顧許多重大的科學發現,才會驚訝地察覺:科學研究的價值,往往超乎了人類的預期。

source:wikimedia

赫茲(Heinrich Hertz)source:wikimedia

著名的科學家赫茲(Heinrich Hertz),在十九世紀80年代用實驗證實了電磁波的存在,而當他的學生追問其實用價值時,他給的回答則是「沒什麼用。」[1]但是,一百多年後的今天,電磁波卻無所不在地應用於我們的日常生活中(也包含了我們現在正閱讀的電腦或手機)!

又如,我們常常用到的GPS全球定位系統,也運用了相對論的原理,對人造衛星上的原子鐘進行時間的校準。如果少了相對論的修正,衛星定位就沒辦法精確計算出我們的位置。不過,一百年前愛因斯坦提出相對論時,大概也不能預知其在日常生活可以有這樣子的應用。同樣地,當時的人若以實用性來評斷相對論的價值,依現在的眼光來看,那就是大錯特錯了。

科學往往以我們想像不到的方式,顯露出其寶貴之處:可能是在多年以後、也可能是在沒人料到的層面、甚或可能是永遠改變了我們對身處宇宙的理解。誠如某部電影(有嗎?)的知名台詞:「科學就像一盒巧克力,你永遠不知道得到的會是什麼。」*對許多人文、藝術領域,這甚至也同樣適用——馬上可以有的產值,往往無法代表事物真正的價值。實務上,我們也不可能未卜先知哪個研究成果會被廣泛運用,才去做相關研究。

  • *y編按:原句為:人生就像一盒巧克力,你永遠不知道你會拿到哪種口味。「Life is like a box of chocolates. You never know what you’re gonna get.」from 阿甘正傳 (Forrest Gump), 1994. 用在科學研究別有一番滋味啊。

同時,有許多的科學實驗,雖看似跟生活毫不相干,但其背後運用到的技術,其實也與現實生活裡的科技發展相輔相成、互相提攜。例如,印象中像粒子加速器這麼炫的東西,似乎只會在尖端的基礎物理實驗中出現;然而,英國的蘭卡斯特大學(Lancaster University)講師Graeme Burt,便針對粒子加速器的生活應用,做了如下的詳細介紹。總而言之,求知慾是人類最珍貴的寶物之一,而科學研究,則正是人類邁向知識瑰寶的必經路徑。[2]基礎科學作為科學的基礎(這不是繞口令),就跟5566一樣不能亡呀![3]

粒子加速器改變世界的五種方式(不考慮希格斯玻色子在內)—— Graeme Burt [4]

美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室的電子加速器一隅 Los Alamos National Laboratory/Flickr, CC BY-NC-ND

美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室的電子加速器一隅 Los Alamos National Laboratory/Flickr, CC BY-NC-ND

大型強子對撞機或許是世界上最知名的科學實驗設施了。在2013年,這個位於阿爾卑斯山山腳、周長27公里的環狀粒子加速器證實了希格斯玻色子的存在,並一舉攫取了全世界的注意。這幫助物理學家確認了,我們用以解釋宇宙運作的關鍵理論是正確的——此無疑是科學上重大進展。但粒子加速器在我們的日常生活中,其實也有著巨大的影響力。甚至,如果沒有它,就連耶誕節都會變得跟現在不一樣。

粒子加速器乃是利用電場,將構築物質的基本組件[5]加速至非常高的速度/能量。所謂電場,則是由帶電的物體,例如靜電荷、或高電壓儀器,所創造出的隱形力場。

起初,這些裝置之所以被發明,是用來研究當粒子互相碰撞、或者撞擊標的時,會發生什麼事情。這樣的實驗讓我們能夠去了解粒子、了解我們周遭的世界,以及了解核子物理學(原子核的學問)。其實單從知識面本身來看,那就已經對許多科技的發展而言至關重要,像是醫院裡的磁振造影[6]掃描儀(MRI scanner),和核能發電廠。

同時,也有中型的加速器,其所產生高強度的光或中子,讓物理學家、生物學家、和藥理學家可以研習材料、病毒、蛋白質與醫藥,並導致數不清的諾貝爾獎、以及嶄新的藥物和疫苗。它們甚至被巧克力和冰淇淋製造商拿來利用:以X光[7]探究不同晶體結構的形成,以研發出最美味的產品;或研究如何避免冰淇淋裡出現冰塊或變成粉狀。

然而,最常見的粒子加速器並不是那個周長27公里的龐然大物,而是充斥在我們周遭的小型工業用或醫藥用加速器。

一、對付癌症

粒子加速器在現代醫療保健扮演了舉足輕重的角色。正子斷層掃描儀(PET scanner)會使用到的同位素,通常就是在粒子加速器裡被製造出來;再者,放射線治療(radiotherapy)與成像(imaging)所需要的X光,就是由加速後的電子射向標靶而產生的。在英國,國家健康服務(National Health Service,NHS)正分別在曼徹斯特的克里斯蒂醫院和倫敦大學學院(University College London)醫院建造特殊的放射線治療中心,其將使用質子,而非一般的電子,來從事放射線療法——這讓治療能夠容許更大的標靶藥物劑量,並且減低對周遭組織的傷害風險。

二、預防恐怖攻擊

為了增加安全性,放射線療法裡的X光源,也廣泛地在港口和機場被使用。這項科技可以用來掃描貨物,以確保不會有任何東西走私進來。因著大多數貨物尺寸的緣故,需要有粒子加速器來產生足夠高能量的X光。藉由兩種相異能量的X光,我們甚至可以辨別出不同的材質(用中子做掃描也可以做到類似的事情)。新一代的掃描儀甚或能夠從X光(照到標的物後)的散射而辨識出毒品或者炸藥。

三、保護環境

由粒子加速器來的X光還有著便利的副作用:消滅細菌和蟲子;所以它們也被用在消毒設備,與煙草、穀物或香料上——殺死小蟲子進而減少耗損。它們也能分解廢水或廢氣裡的有害成份以保護環境。

四、製造行動電話

粒子加速器產生的電子或X光亦有許多工業用途。它們可用來活化在塗料或複合纖維裡的某些分子,使其乾得更快;這個步驟——稱為固化(curing)——被廣泛使用在包裝盒的印刷、或者飛機零件的製造上。若少了固化程序,企業就只能靠龐大的倉庫暫且存放物品,以等待它們乾燥。它們也能改變寶石的顏色,例如:加速器可以將天然無色或棕色的黃玉(topaz),轉變成好看、帶藍色的黃玉[8]。粒子加速器亦被運用來在半導體上佈植離子,以量身打造其在電子儀器(例如行動電話晶片)上的作用。

藍色的黃玉Blue topaz Craig Kohtz/Flickr, CC BY-NC-ND

藍色的黃玉Blue topaz Craig Kohtz/Flickr, CC BY-NC-ND

五、拯救耶誕節

粒子加速器另一個常見的用途是在交叉鏈接(cross-linking)[9]上;粒子被拿來打斷材料裡的聚合物鏈,好讓它們能夠重新結合成更強勁的組態。最常見的如:讓電纜裡的塑膠具抗熱性、或是製造收縮膠膜(shrink wrap)[10]以確保你的耶誕火雞新鮮——塑膠事先被拉伸並接受電子束的撞擊,如此一來,當其日後受熱,就會再收縮回原先(拉伸前)的尺寸。這給了我們強韌又緊密的包裝,以保護你的火雞遠離有害細菌。

參考資料:

  • 1. Graeme Burt (2016) Five ways particle accelerators have changed the world (without a Higgs boson in sight)

註釋:

  • [1] 故事參考自〈科學史上的今天〉,二月二十二日赫茲誕辰
  • [2] 礙於篇幅,在此僅稍做著墨,也推薦對議題有興趣的讀者可以閱讀三分鐘科學的好文
  • [3] 出自台灣本土連續劇《世間情》的劇情。5566為台灣男子偶像團體。
  • [4] 原文請參考 The Conversation
  • [5] 譯註:物質由原子組成;原子又是由電子和原子核(含有質子與中子)構成。粒子加速器一般即為加速電子或質子。有興趣的讀者可參考阿宅物理(3)
  • [6] 譯註:亦稱核磁共振。
  • [7] 譯註:X光,或稱X射線(X-ray),為波長在0.01奈米至10奈米間的電磁輻射。關於其發現,可參考科學史上的今天
  • [8] 譯註:天然的藍色黃玉相當稀少。上述轉換寶石顏色的過程稱為gemstone irradiation。
  • [9] 譯註:化學名詞。相關資訊可參考維基百科
  • [10] 譯註:常用在包裝上的透明塑膠膜,遇熱會收縮,可達成緊密包裝的效果。

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關於作者

科學大抖宅

科學大抖宅

在此先聲明,這是本名。小時動漫宅,長大科學宅,故稱大抖宅。物理系博士後研究員。人文社會議題鍵盤鄉民。人生格言:「我要成為阿宅王!」