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差點泡湯的氣泡室,讓更多基本粒子被發現│科學史上的今天:9/21

張瑞棋_96
・2015/09/21 ・1139字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 566 ・九年級

【科學史上的今天】9/21——格拉澤誕辰(Donald A. Glaser, 1926-2013)

格拉澤設計的氣泡室。圖/Public Domain
格拉澤設計的氣泡室。圖/Public Domain

1953 年 4 月,美國物理學會在華盛頓特區舉辦一連三天的研討會。第一天的午餐時間,出生於 1926 年 9 月 21 日、還是菜鳥學者的格拉澤(Donald A. Glaser, 1926-2013)端著餐盤,好不容易找到一張桌子坐下。他目光掠過四周的人聲鼎沸,懷疑到了最後一天星期六還會有多少人留下;尤其他的演講排在最後十分鐘,到時恐怕只有小貓兩三隻。

格拉澤要講的是自己去年發明的「氣泡室」(bubble chamber),他相信這比「雲霧室」更能捕捉到基本粒子的足跡。他的指導教授安德森(Carl D. Anderson)就是在 1932 年用雲霧室發現正子,而榮獲諾貝爾物理獎;他跟了安德森三年,對雲霧室已瞭若指掌,總覺得除非大刀闊斧改造,否則難再有進展。因此 1949 年取得博士學位、至密西根大學擔任講師後,仍一直思考這件事。

他想到:可以用液體取代氣體;用活塞增加壓力,使液體的沸點提高,再將液體加熱到接近沸點,穿越液體的基本粒子會將撞擊到的原子離子化,並因高溫而產生細微的氣泡。此時拉開活塞降壓,氣泡就會逐漸變大而清晰可見,就形成基本粒子的運動軌跡了。

1952 年,他做出約拇指大的迷你氣泡室,實驗成功後,興沖沖地跟「美國原子能委員會」與「國家科學家金會」申請研究經費,卻都遭到質疑而被拒絕。看來這次大會也持保留意見,才把他的演講排在這最冷門的時段。

格拉澤正想得出神,突然聽到有人問他能否一起坐,他回過神來,原來是在核子物理界頗負盛名的阿瓦雷茲(Luis Alvarez)。兩人攀談起來,果然阿瓦雷茲週末也不會留下來,但聽完他的說明後,阿瓦雷茲眼睛一亮,鼓勵格拉澤絕對不要放棄。原來阿瓦雷茲正在加州大學柏克萊分校參與建造當時最大的粒子加速器,如果格拉澤的氣泡室真的可行,絕對能如虎添翼,發現更多次原子的秘密。

格拉澤回去後,繼續注入不同液體到氣泡室中,實驗何種效果最好。1959 年,他應阿瓦雷茲之邀,到加州大學柏克萊分校任教,參與打造 2 公尺長的氣泡室,用於粒子加速器。啟用後,果然捕捉到以往未曾發現的基本粒子軌跡。格拉澤隨即於 1960 年因發明氣泡室而獲頒諾貝爾物理獎;阿瓦雷茲也因在氣泡室中發現大量的粒子共振態,獲得 1968 年的諾貝爾物理獎。

氣泡室的成功讓許多當初不看好的人跌破眼鏡,包括粒子物理權威費米。他比格拉澤更早有此構想,但計算後發現並不可行,並寫在教科書上。格拉澤後來接受訪問時便說:沒有人會質疑從不犯錯的費米;好在自己當時沒看過這本教科書,否則絕對早就放棄氣泡室的構想了。

本文同時收錄於《科學史上的今天:歷史的瞬間,改變世界的起點》,由究竟出版社出版。


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張瑞棋_96
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1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,當了中年大叔才開始寫作,成為泛科學專欄作者。著有《科學史上的今天》一書;個人臉書粉絲頁《科學棋談》。


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控制進食時間與熱量,小鼠可以更長命?

台灣科技媒體中心_96
・2022/05/22 ・2156字 ・閱讀時間約 4 分鐘

目前越來越多動物實驗的研究結果顯示,「特定時段禁食」在延緩老化或延長壽命上的效果,不比「限制總熱量攝取」差,甚至效果更好。

圖/envato elements

控制吃飯時間,可以延長壽命?

美國德克薩斯大學西南醫學中心的小彼得.奧唐納腦研究所 (Peter O’donnell Jr. Brain Institute) 研究團隊,今(2022)年 5 月 5 日在國際期刊《科學》(Science)公開研究論文,使用小鼠為實驗對象,研究進食熱量與進食時間,與小鼠壽命之間的關係。

團隊先讓小鼠自由的取食飼料 6 週後,再分成 5 個不同組別,分別是:

  1. 只能在日間每隔 90 分鐘進食、
  2. 只能在晚間每隔 90 分鐘進食、
  3. 只能在日間開始兩小時內進食、
  4. 只能在晚間開始兩小時內進食、
  5. 全天內每隔 160 分鐘允許進食。

這 5 組小鼠被限制攝取的熱量相同,實驗過後,再和完全自由取食且沒有限制熱量攝取的小鼠比較。

研究結果顯示,與完全自由進食的小鼠相比,有限制進食時間的小鼠平均壽命較長,其中第 2.4 組(只能在晚間每隔 90 分鐘進食,以及只能在晚間開始兩小時內進食)延長壽命的效果最好,平均可延長 35% 壽命;而只能在日間進食的兩組小鼠,平均可延長20%壽命。

與完全自由進食的小鼠相比,有限制進食時間的小鼠平均壽命較長。示意圖/envato elements

研究也觀察到其它有趣結論:

  • 隨著年齡增長,五組小鼠的體重,都比自由進食的小鼠更輕,且在非主要活動的時間(白天)進食的小鼠,白天的活動變多了。
  • 在完全自由取食的小鼠肝臟中,原本與老化相關的基因表現隨年齡增長而改變,有些基因表現降低,有些增加,且基因表現的晝夜節律性也隨老化而降低。但在只能晚間進食的兩組小鼠身上,這些因老化而造成的改變較少。

作者根據研究結果指出,僅僅限制熱量攝取而不在特定時間禁食,可以延長小鼠的壽命,禁食可以對延長壽命效果有加分的作用,而不是主要造成效果的原因。

研究凸顯了「晝夜節律」的重要性

國立陽明交通大學生化暨分子生物研究所教授 許翺麟 表示,目前越來越多,動物實驗的研究結果顯示,「特定時段禁食」在延緩老化或延長壽命上的效果,不比「限制總熱量攝取」差,甚至效果更好。

特定時段禁食,有可能比限制總熱量更能延緩老化。圖/envato elements

過去研究飲食中,熱量限制對老化與壽命的影響時,常常無法分辨原因到底是因為「總卡路里攝取較少」還是「固定且有規律的長時間禁食」。最近幾年,科學家開始針對此一問題進行更深入的研究。

去年一項使用小鼠的研究顯示,限制飲食的熱量可延緩老化的效果,可能大部分來自於長時間且有規律的禁食[1]。此外,另一項在果蠅的研究中也指出,不但是要有規律的禁食,何時禁食也同樣重要。最有效延緩老化的方式,要與動物本身的生理時鐘配合,在本來就比較少進食的時候進行禁食[2]

  • 編註:小鼠是夜行性動物,上述文字中的「日間」指的是白天光線照射,對小鼠而言是休息和睡眠的時段,「晚間」沒有光照,才是小鼠活動和主要進食的時段。

這次的研究中更進一步證實,單純只是限制總熱量攝取,只能提供很少的延長壽命效果,反而熱量限制並配合生理時鐘進行間歇性禁食的效果最好。小鼠是夜行性動物,日間禁食對延長壽命的效果,遠比夜間禁食的效果更加顯著,至於每日禁食 12 小時或 22 小時則差異不大。此外本研究也顯示,調控生理時鐘的基因在調控老化上的重要性。

配合生理時鐘進食很重要。圖/envato elements

人類比照辦理也會有用嗎?

許翺麟教授 說明,本研究最大的限制來自於其僅用單一品系、單一性別的小鼠來進行研究。從過去其他研究已知,飲食限制對不同品系與不同性別的動物,效果不盡相同。因此本研究雖然頗具參考價值,但是能否推論到其他品系的小鼠,甚至其他物種與人類,仍有待未來更多研究來支持。

雖說人類遠比實驗動物複雜,會影響老化的因素也不僅止於飲食,然而維持平衡且有規律的飲食習慣,加上適當的限制進食時間,也許是一種相對可行,且有效促進健康老化的方式。也期待未來更多相關研究,能協助我們進一步釐清這些結果在人類中是否相同。

參考文獻


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台灣科技媒體中心_96
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