網站更新隱私權聲明
本網站使用 cookie 及其他相關技術分析以確保使用者獲得最佳體驗,通過我們的網站,您確認並同意本網站的隱私權政策更新,了解最新隱私權政策

1

0
0

文字

分享

1
0
0

為何空間只有三維?

臺北天文館_96
・2012/01/08 ・1441字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 534 ・七年級

物體皆有長寬高,日常生活讓我們不假思索地習慣於這個三個維度的空間。但為什麼宇宙也是三維空間?尤其無論「弦理論(string theory)」或大霹靂理論(Big Bang theory),兩者都無法將三維空間解釋清楚的情況下?物理學家實在為此傷透腦筋。

多數天文學家都支持「大霹靂說」這個宇宙學模型,它提出:宇宙是從某無限小的點爆炸誕生的。譬如現在所觀測得到的宇宙微波背景,現在所觀測得到的某些元素在自然歷程中的豐度,諸如此類,在在都發表它們對大霹靂理論的支持。但大霹靂這個宇宙學的論述卻未能和愛因斯坦的廣義相對論取得一致—在廣義相對論中,任何情況下,整個宇宙不可能是一個無限微小的點,這也意味著大霹靂理論將無法單槍匹馬的完整解釋:宇宙如何起源。

如此一來,廣義相對論和大霹靂宇宙學間的不相容,成為橫逆在宇宙學家面前、阻斷前方去路的一大障礙。40年前,超弦理論出現,似乎有可能成為物理界的大統一理論(Grand Unified Theory)。

超弦理論提出的概念是,電磁力、弱作用力、強作用力和重力等所謂四種基本作用力,其實都是極微小的弦在不同振盪模式下的表現而已。重力既然是四種基本作用力之一,超弦理論的解釋範圍自然也含括廣義相對論在內。問題是,超弦理論預估一共有10維—9維屬空間,一維是時間。這和我們的三維宇宙又怎能湊得成一對呢?

新興的超弦理論真能成為大統一理論嗎,數年之間,它的威風不再,更進一步探究只能侷限在模型和情境討論而已,實際演算,因實在太困難,無以為繼。之後,超弦理論的有效性和實用性前景,也變得不甚明朗。

不過,最近KEK(日本高能加速器研究組織)副教授Jun Nishimura,靜岡大學副教授Asato Tsuchiya和大阪大學Sang-Woo Kim研究員等三名研究人員,成功地在超弦理論基礎上架構出「宇宙如何誕生」的計算模型。

他們在超級電腦的協助下發現,在大霹靂的一剎那,宇宙本來有十維—九維屬空間,一維時間 – 而其中,空間的九維中,只有三個空間維後來繼續擴張。

該團隊研究人員研發出一種矩陣計算的方式,可以用來代表弦與弦之間如何發生交互作用。藉由這種矩陣,他們計算到9維空間在歷經過時間進展後可發生怎樣的變化。倒回至更早時間,他們就發現:空間是以9個方向延展的,但從某一點開始,只剩下3個方向迅速地擴張了。

簡單說,也就是,弦理論所預測的9維空間的確可以演變成現今我們所生活的這個三維空間。

目前這個研究結果對於空時維度的謎題來說只不過是個局部的解,不過它強烈支持了超弦理論的實用性。也有可能,這個藉超級電腦的計算力來分析超弦理論的新方法,未來也將為宇宙學其他問題帶來新應用及解答。(Lauren 譯)

故事從「大霹靂」開始說起的宇宙歷史。圖片版權:grandunificationtheory.com
故事從「大霹靂」開始說起的宇宙歷史。圖片版權:grandunificationtheory.com

 用視覺的方式來傳達「弦」。 圖片所有: R. Dijkgraaf.
用視覺的方式來傳達「弦」。 圖片所有: R. Dijkgraaf.

這張宇宙的「嬰孩時期」照片顯示出宇宙背景輻射溫度的微小波動分布情形。熱點以紅色表示,冷點以深藍色表示。圖片所有:NASA/WMAP Science Team
這張宇宙的「嬰孩時期」照片顯示出宇宙背景輻射溫度的微小波動分布情形。熱點以紅色表示,冷點以深藍色表示。圖片所有:NASA/WMAP Science Team

資料來源:中研院天文網[2012.01.04]

轉載自台北天文館之網路天文館網站

文章難易度
所有討論 1
臺北天文館_96
477 篇文章 ・ 13 位粉絲
臺北市立天文科學教育館是國內最大的天文社教機構,我們以推廣天文教育為職志,做為天文知識和大眾間的橋梁,期盼和大家一起分享天文的樂趣!


0

11
5

文字

分享

0
11
5

揭開人體的基因密碼!——「基因定序」是實現精準醫療的關鍵工具

科技魅癮_96
・2021/11/16 ・1998字 ・閱讀時間約 4 分鐘

為什麼有些人吃不胖,有些人沒抽菸卻得肺癌,有些人只是吃個感冒藥就全身皮膚紅腫發癢?這一切都跟我們的基因有關!無論是想探究生命的起源、物種間的差異,乃至於罹患疾病、用藥的風險,都必須從了解基因密碼著手,而揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。

揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。圖/科技魅癮提供

基因定序對人類生命健康的意義

在歷史上,DNA 解碼從 1953 年的華生(James Watson)與克里克(Francis Crick)兩位科學家確立 DNA 的雙螺旋結構,闡述 DNA 是以 4 個鹼基(A、T、C、G)的配對方式來傳遞遺傳訊息,並逐步發展出許多新的研究工具;1990 年,美國政府推動人類基因體計畫,接著英國、日本、法國、德國、中國、印度等陸續加入,到了 2003 年,人體基因體密碼全數解碼完成,不僅是人類探索生命的重大里程碑,也成為推動醫學、生命科學領域大躍進的關鍵。原本這項計畫預計在 2005 年才能完成,卻因為基因定序技術的突飛猛進,使得科學家得以提前完成這項壯舉。

提到基因定序技術的發展,早期科學家只能測量 DNA 跟 RNA 的結構單位,但無法排序;直到 1977 年,科學家桑格(Frederick Sanger)發明了第一代的基因定序技術,以生物化學的方式,讓 DNA 形成不同長度的片段,以判讀測量物的基因序列,成為日後定序技術的基礎。為了因應更快速、資料量更大的基因定序需求,出現了次世代定序技術(NGS),將 DNA 打成碎片,並擴增碎片到可偵測的濃度,再透過電腦大量讀取資料並拼裝序列。不僅更快速,且成本更低,讓科學家得以在短時間內讀取數百萬個鹼基對,解碼許多物種的基因序列、追蹤病毒的變化行蹤,也能用於疾病的檢測、預防及個人化醫療等等。

在疾病檢測方面,儘管目前 NGS 並不能找出全部遺傳性疾病的原因,但對於改善個體健康仍有積極的意義,例如:若透過基因檢測,得知將來罹患糖尿病機率比別人高,就可以透過健康諮詢,改變飲食習慣、生活型態等,降低發病機率。又如癌症基因檢測,可分為遺傳性的癌症檢測及癌症組織檢測:前者可偵測是否有單一基因的變異,導致罹癌風險增加;後者則針對是否有藥物易感性的基因變異,做為臨床用藥的參考,也是目前精準醫療的重要應用項目之一。再者,基因檢測後續的生物資訊分析,包含基因序列的註解、變異位點的篩選及人工智慧評估變異點與疾病之間的關聯性等,對臨床醫療工作都有極大的助益。

基因定序有助於精準醫療的實現。圖/科技魅癮提供

建立屬於臺灣華人的基因庫

每個人的基因背景都不同,而不同族群之間更存在著基因差異,使得歐美國家基因庫的資料,幾乎不能直接應用於亞洲人身上,這也是我國自 2012 年發起「臺灣人體生物資料庫」(Taiwan biobank),希望建立臺灣人乃至亞洲人的基因資料庫的主因。而 2018 年起,中央研究院與全臺各大醫院共同發起的「臺灣精準醫療計畫」(TPMI),希望建立臺灣華人專屬的基因數據庫,促進臺灣民眾常見疾病的研究,並開發專屬華人的基因型鑑定晶片,促進我國精準醫療及生醫產業的發展。

目前招募了 20 萬名臺灣人,這些民眾在入組時沒有被診斷為癌症患者,超過 99% 是來自中國不同省分的漢族移民人口,其中少數是臺灣原住民。這是東亞血統個體最大且可公開獲得的遺傳數據庫,其中,漢族的全部遺傳變異中,有 21.2% 的人攜帶遺傳疾病的隱性基因;3.1% 的人有癌症易感基因,比一般人罹癌風險更高;87.3% 的人有藥物過敏的基因標誌。這些訊息對臨床診斷與治療都相當具實用性,例如:若患者具有某些藥物不良反應的特殊基因型,醫生在開藥時就能使用替代藥物,避免病人服藥後產生嚴重的不良反應。

基因時代大挑戰:個資保護與遺傳諮詢

雖然高科技與大數據分析的應用在生醫領域相當熱門,但有醫師對於研究結果能否運用在臨床上,存在著道德倫理的考量,例如:研究用途的資料是否能放在病歷中?個人資料是否受到法規保護?而且技術上各醫院之間的資料如何串流?這些都需要資通訊科技(ICT)產業的協助,而醫師本身相關知識的訓練也需與時俱進。對醫院端而言,建議患者做基因檢測是因為出現症狀,希望找到原因,但是如何解釋以及病歷上如何註解,則是另一項重要議題。

從人性觀點來看,在技術更迭演進的同時,對於受測者及其家人的心理支持及社會資源是否相應產生?回到了解病因的初衷,在知道自己體內可能有遺傳疾病的基因變異時,家庭成員之間的情感衝擊如何解決、是否有對應的治療方式等,都是值得深思的議題,也是目前遺傳諮詢門診中會詳細解說的部分。科技的初衷是為了讓人類的生活變得更好,因此,基因檢測如何搭配專業的遺傳諮詢系統,以及法規如何在科學發展與個資保護之間取得平衡,將是下一個基因時代的挑戰。

更多內容,請見「科技魅癮」:https://charmingscitech.pse.is/3q66cw

文章難易度
科技魅癮_96
1 篇文章 ・ 2 位粉絲
《科技魅癮》的前身為1973年初登場的《科學發展》月刊,每期都精選1個國際關注的科技議題,邀請1位國內資深學者擔任客座編輯,並訪談多位來自相關領域的科研菁英,探討該領域在臺灣及全球的研發現況及未來發展,盼可藉此增進國內研發能量。 擋不住的魅力,戒不了的讀癮,盡在《科技魅癮》