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泛知識節紀實:全世界最亮的「台灣光子源」是什麼?要幹嘛?

泛知識節
・2017/01/06 ・3490字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 571 ・九年級

這一系列文章為 2016 泛知識節「翻牆吧!知識」的活動紀實,我們將當下求知求真地感動盡力留下,想與世界某個角落正在努力翻牆的你分享。

知識不只在學校的黑板、不只在安靜的圖書館,當然 更不只在名為「學校」那棟被牆包圍的建築。2016泛 · 知識節「翻牆吧!知識」承襲著泛科學年會的精神與架構,變的是讓更多的知識在這裏碰撞,不變的是那渴求知識的靈魂。如果知識是一道牆,現在就讓我們用求知慾翻牆吧!

關於本場次【 擁有全世界最亮的「台灣之光—台灣光子源」,是什麼?要幹嘛? 】的活動介紹,請參考這裡

  • 講者/陳家祥|國家同步輻射研究中心助工程師
  • 文字紀錄/廖英凱

「光」是人類觀察物體最常利用的方式,除了可見光外,還有許多肉眼不可見的光,統稱為「電磁波」或是「電磁輻射」。在近代科學的發展中,這些光也成為我們觀測自然的利器,例如波長最長的無線電常用來觀測星球尺度的宇宙世界;波長數十公分微波可以觀測大氣尺度的變化;紫外線可以看到分子尺度的結構;X 光則可以研究更小的蛋白質、脂質分子與晶體結構等。

當光線不足時,東西自然看不清楚,讀書還會傷眼睛。不過,如果照來了一道世界最亮的光時…… 難道就會看得更清楚嗎!?這道世界最亮的光,正是位於新竹「國家同步輻射研究中心」內的「台灣光子源(Taiwan Photon Source, TPS)」。它是世界上首屈一指的粒子加速器,在全世界同級機組中,提供了最亮的光源,自 2004 年開始構想、 2010 年開始動工,至 2014 年末發出第一道光。2016 泛.知識節邀請到同步輻射中心的助研究員陳家祥博士,與我們分享這道台灣之光的奧秘與身世。

同步輻射中心的助研究員陳家祥博士。
同步輻射中心的助研究員陳家祥博士。

電影裡的粒子加速器

台灣光子源,是一種透過加速帶電粒子來得到高同調性輻射的加速器。這樣的加速器早已經廣泛應用到生活中,也常常成為影視娛樂的素材。電影《魔鬼終結者 3》中,主角們在一個環型隧道裡躲避機器人的追殺時,啟動了裝置於加速器上的電磁鐵,而電磁鐵擁有的強大磁場,在關鍵時刻將機器人吸住動彈不得,讓主角們得以脫離險境。電影中的這個設定,正是因為粒子被加速到接近光速行進而有很高的能量,需要強大的磁場才能讓粒子轉彎,而加速器中的電磁鐵提供了這樣的強大磁場。在電影《鋼鐵人 2》裡,主角也蓋了一個環形的裝置,在裝置裡兩道強光的相擊下合成了一個新的元素。事實上,這也是粒子加速器可以用作合成人造元素的應用。

在台灣,其實也是有以同步輻射中心、環狀加速器作為背景題材的電影作品。2006 年的一部驚悚電影《詭絲》,劇中就描述了在同步輻射的環狀中心點,正好是磁場匯集之處而能引發靈異現象。不過陳家祥博士笑稱,其實磁場最強的是加速器上的電磁鐵,環狀中心其實是沒有什麼特別磁場的,但也因為這部電影的原因,民眾對於同步輻射中心的詢問度也突然變高了一陣子……

生活中的加速器

雖然影視劇本中偶有出現加速器的蹤跡,但將帶電粒子加速來使用這件事,早就是我們生活中常見的技術。例如早期陰極射線管(CRT)螢幕、電視機,就是利用高電壓的電場將電子加速,再通過聚焦線圈與偏向線圈這兩個電磁鐵,讓電子打到玻璃螢幕上指定的區域。而玻璃螢幕的內側塗佈了磷化物,當磷化物分子吸收足夠能量的電子後,就會釋放出螢光產生畫面。再例如機場中常用來掃描行李裡的 X 光機,也是利用加速後的電子,打到鎢、銀 、鉻等金屬製成的靶材上。當電子受到靶材阻擋而減速時,就會以 X 光的形式放出能量。這種 X 光來自於制止電子運動,因此又被稱做制動輻射( bremsstrahlung)。

然而這些常見裝置所產生的 X 光,強度僅有同步輻射中心的十萬分之一至百萬分之一,僅能透視大型物體,並沒有辦法用來看到物體的細微結構,也因此我們需要亮度更強、光束更細、更不易發散,並如同雷射一樣具極佳同調性 (Coherence)的光來作為觀測的媒介。同步輻射加速器所產生的光源,正具有這些特性。

同步輻射光

同步輻射光源,是將帶電粒子(如電子)加速到接近光速,再利用電磁場偏轉其方向,便會產生一道沿原本運動切線方向發生的電磁輻射。輻射的波長取決於磁鐵的強度和帶電粒子的能量。不過一道光的強度不見得足夠,此時可利用一系列磁場交錯排列的插件磁鐵,讓帶電粒子在磁場中如蛇行般不斷交錯改變方向。這種每次改變方向所產生的同步輻射,如雷射般具有同調性高的特性,就可以再被導引到實驗站使用。

將接近光速的帶電粒子利用電磁場偏轉時,就會沿著原運動切線方向產生同步輻射光。圖/By R. Bartolini - John Adams Institute, CC BY 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=15587607
將接近光速的帶電粒子利用電磁場偏轉時,就會沿著原運動切線方向產生同步輻射光。圖/By R. Bartolini – John Adams Institute, CC BY 3.0, wikimedia commons.

實驗站中的研究人員會再將同步輻射光照射到待測物上。根據待測物的材質、結構、表面特性等,同步輻射光會再經由反射、繞射、散射與穿透等機制而改變特性。同時,待測物也可能會因為吸收了高能量的同步輻射,而激發出電磁波、帶電粒子與中性原子等。研究人員就可藉由測量這些被同步輻射照射後的產物,來回推待測物的結構與成分。

利用插件磁鐵讓同步輻射光在內部蛇行,就會產生如雷射一般同調性高的光。圖/CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=537945
利用插件磁鐵讓同步輻射光在內部蛇行,就會產生如雷射一般同調性高的光。圖/CC BY-SA 3.0, wikimedia commons.

科學神燈:台灣光子源

1980 年代,時任行政院長孫運璿著手推動新竹科學園區設置與半導體產業發展時,同期也開始規劃同步輻射研究中心。同步輻射研究中心於 1986 年開始動工,至 1993 年 10 月完成了亞洲第一座第三代同步輻射設施「台灣光源(Taiwan Light Source, TLS)」,成為我國在原分子領域、奈米技術、表面與薄膜科技、凝態物理、材料科學、分子生物學…… 等眾多領域的研究關鍵。近年使用人次與計畫數均逐年增加,每年可達一萬人以上的使用人次,然而因使用者眾,且相關技術推陳出新,導致了 TLS 光源不敷使用,亮度也不斷落後其他國家的新建設施。

國家同步輻射中心。圖/By Chang.ms - Own work, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=41141416
國家同步輻射中心。圖/By Chang.ms – Own work, CC BY-SA 4.0, wikimedia commons.

2001 年起,國家同步輻射研究中心前身「行政院同步輻射研究中心」的指導委員會建議應開始研究新型同步輻射加速器的建造方案。2007 年,行政院同意「台灣光子源同步加速器興建計畫」並在 2009 年正式核定、2010 年開始動土興建、2014 年 12 月 31 日成功發出第一道同步輻射光。

不過,台灣光子源的興建歷程,也讓研究人員們忐忑不安了許久。由於台灣光子源的精準度要求相當高,一圈 518 公尺的軌道,僅能有 25 μm 的誤差。又因腹地不夠寬廣,新舊加速器緊鄰施工導致對工程的要求又更高,陳博士說當時還因此拆了餐廳來取得用地。施工過程中也不安寧,又發現在 14 公尺深處挖到了軟土層,高於法規要求的探測標準10公尺,因而多耗費半年施工,也因此遭監察院糾正。

陳家祥:「在同步輻射領域,台灣可以跟美中歐洲等大國競爭,真的是一個蠻厲害的事情。」
陳家祥:「在同步輻射領域,台灣可以跟美中歐洲等大國競爭,真的是一個蠻厲害的事情。」

到 2014 下半年時,距完工時限還有 3 個月,雖然主要設施都已完成,但研究團隊仍無法把電子有效加速。總主持人陳建德院士曾戲稱:如果計畫失敗,核心團隊只好七條白綾以謝國人…… 還好一名工程主管及時找到不斷失敗的原因,主要是真空腔被磁化而吸引電子,造成電子速度被拖慢。但當他們要將真空腔拆下來退火消磁的時候,又剛好遇到年末的尾牙時節,根本而找不到合作廠商。此時中科院的設備也適逢歲修,另外想送到中國的上海光源處理,又因為電子輻射照射的真空腔是管制品而無法出口。好險最終在一個傳產業者的協助之下,在完工時限截止當天,2014 年的最後一天,成功發出了台灣光子源的第一道光。

歷經十年規劃、四年建設,耗資將近 70 億元的台灣光子源,是我國規模最大的跨領域科學研究設施,更是全世界同等規模、同樣電子能量下目前能提供最亮光源的同步輻射加速器。它能帶動多項科學研究領域的發展,也能提供工業產品的研發優化。世界第一的條件更能成為開拓國際合作的優勢。相信這座落在新竹的科學神燈,帶來的不是天方夜譚的希望,而是越發清晰的微觀結構,更加接近的宇宙真相。

「我們搞科研的就是要跟其他人殺到頭破血流,沒有人會記得第二名的!」

文章難易度
泛知識節
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從「科學太重要了,所以不能只交給科學家」,到「科學家太重要了,所以不能只懂科學」,再到「知識太重要了,所以不能讓它關在牆裡」,「泛知識節」為泛科知識召集之年度大型活動,承繼 PanSci 泛科學年會的精神與架構,邀請「科學」「科技」「娛樂」「旅行」四個領域的專家與耕耘者,一同談說、分享、攻錯。 這是一個大型的舞台,我們在此治茶拂席,虛位以待,請你上座。

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尋找小尺度粒子為什麼需要對撞機?跟核融合又有什麼關係?──《科學月刊》
科學月刊_96
・2019/10/18 ・2219字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 571 ・九年級

  • 文/章文箴,中研院物理所研究員。

物理的發展中,從過去於自然界中的觀測,到今日利用強大能量的對撞機,尋找尺度更小的粒子一直是物理學家的目標。但粒子到底是如何被製造的呢?本文將解開粒子對撞機製造新粒子的機制。

人類為了發現比原子更小的新粒子,早期大多藉由觀察來自於宇宙射線與大氣層作用後的產物,例如渺子、正電子等;而質量較大的粒子,由於它們容易衰變,生命期短,因此不易觀測。

人類為了發現比原子更小的新粒子,早期大多藉由觀察來自於宇宙射線與大氣層作用後的產物。圖/Pixabay

隨著加速器的發明和使用,後續大多利用加速器產生高能量的質子束或電子束。在碰撞的過程中,能量足夠的情況下,透過特定反應產生並觀察新粒子。

質量是基本粒子的特性,也是辨認它們最重要的實驗證據,利用加速器所產生撞擊事件產生新粒子,碰撞過程的質心系能量 (center of mass energy) 必須大於新粒子的質量,才能透過質能互換,產出生成全新粒子。

因此,在找尋質量更大新粒子的過程中,加速器的能量必須不斷地提升,也由從撞擊固定靶的實驗,轉換成對撞機實驗,達到足夠的質心系能量。

J/Ψ粒子的發現

以 1974 年所發現的 J/Ψ 粒子為例,其質量大約 3 GeV∕c2,由魅夸克 (Charm quark) 和反魅夸克所構成,因為魅夸克的質量遠高於當時已知的上夸克 (up quark)、下夸克 (down quark) 及奇夸克 (strange quark),受限於加速器能量的提升,在搜尋上拖延了一段時間,甚至讓物理學家猜測是否夸克只有以上的三種。

後續由丁肇中先生所領導的團隊,利用當時美國紐約州布魯克黑文國家實驗室 (Brookhaven National Laboratory, BNL) 剛完成全世界最高能量的加速器──交變梯度同步加速器 (Alternating Gradient Synchrotron, AGS) ,將質子束加速到 30 GeV,與固定鈹靶撞擊,此撞擊質心系能量大約為 7.75 GeV,因此得以產生並觀測到質量大約 3.1 GeV∕c的 J/Ψ粒子。

而同一時間,美國加州 SLAC 國家加速器實驗室 (SLAC National Accelerator Laboratory),透過正負電子湮滅反應,由能量直接生成新粒子,找尋 2.6~8 GeV∕c區間的新粒子,也同樣在 3.1 GeV∕c處發現 J/Ψ 粒子。兩團隊在 1974 年 11 月同步宣布發現,確認第四種夸克的發現,這項科學重要里程碑,在兩年後獲得諾貝爾物理學獎的肯定。

1974 獲得諾貝爾物理學獎的兩人,左為 Sir Martin Ryle,右為Antony Hewish。圖/The Nobel Prize

澄清聳動新聞報導中的兩個專有名詞

在最近國內一則新聞報導提及,有研究人員在重氫與重氫核融合的過程中,宣稱觀察到 W 中間子的生成,並可透過此過程取得穩定能量。

筆者認為在該報導中有兩點需要進一步被澄清:W中間子觀測核融合技術

W 中間子的觀測

核反應後原子核中不穩定的中子可透過弱交互作用力,轉換成質子成為穩定核結構,稱之為 β 衰變(下圖)。而 W 中間子正是弱交互作用力的交換粒子,但此處的 W 中間子在理論架構中只是一個虛粒子 (virtual particle),代表動態量子場中能量和動量的傳遞,該處的質量是變動的而非定值,因此 β 衰變的發生,並不能視為實際發現弱交互作用力中 W 中間子的證據。

β 衰變示意圖:透過弱交互作用,中子衰變為質子,而 W 中間子為弱交互作用力的交換粒子,釋放出一個電子及一個反電子微中子。

科學界對於 W 中間子的發現與確認,是源於歐洲核子研究組織 (Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire, CERN) 實驗室於 1983 年,在 400 GeV 質子和 400 GeV 反質子對撞後,所產生質心系能量可高達 800 GeV 反應中,觀察到質量大約 80 GeV/c的W玻色子,該研究成果在 1984 年贏得諾貝爾物理學獎,從此 W 粒子的質量測定成為高能物理實驗的量測準確的檢驗方法之一。

人類一直在追尋的技術:核融合

關於核融合反應,事實上是與日常生活息息相關。

在太陽內部,每一秒有 60 億公噸的氫核透過連續核融合反應轉換成氦核,其中的質量虧損轉換成能量形式放出,提供地球上的生物與人類生活上不可或缺的光和熱。

而太陽內部的核融合反應能夠發生,歸功太陽內部強大的重力場,讓原子核能克服核子間的庫倫斥力,彼此靠近到約 10-15 公尺的距離,讓短距離的核力得以作用。

太陽內部的質子—質子鏈反應:首先由兩個氫原子核融合為氘,一個質子釋放出一個正電子和一個微中子成為中子,氘再和另一個氫原子合成氦同位素氦-3,最後再與另一氦-3形成氦同位素氦-4。

人類為了尋求穩定能量的來源,人造的核融合反應已研究超過 60 年,但是在技術層次上仍面臨重大困難。

過去曾嘗試利用加速器或電漿加熱方式,試圖克服核子間的庫倫斥力,以產生核融合反應,但是整個過程中所投入的能量,卻大於核融合反應後所釋放出的能量,無法達到能量的損益平衡,毫無商業運轉的價值。

目前位於法國的國際熱核融合實驗反應爐 (International Thermonuclear Experimental Reactor, ITER) 計畫正集合來自全球各地 35 國之力,期望能在 2035 年底前突破此挑戰,讓人造核融合反應成為人類穩定能量的來源。

科學技術的源自於長期累積

科學和相關技術的進展需要長時間、大量人力與物力投入,透過嚴謹討論辯證、量化的測定、可重複的結果逐步累積,絕非一蹴可幾,也因此得以帶來對人類深遠的影響。

筆者期待藉此文提供讀者一些科學基本的知識得以用來判斷相關新聞報導的真假,更期盼臺灣社會大眾,能夠有正確眼光和態度,支持科學長期的發展,多充實科學基本知識,避免只感興趣於聳動性的新聞報導。


〈本文選自《科學月刊》2019 年 10 月號〉

在這個資訊不被期待的時空裡,卻仍不忘科學事實至上的自由價值。

科學月刊_96
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非營利性質的《科學月刊》創刊於1970年,自創刊以來始終致力於科學普及工作;我們相信,提供一份正確而完整的科學知識,就是回饋給讀者最好的品質保證。

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把手伸進大型強子對撞機會怎樣?──《然後你就死了》
臉譜出版_96
・2019/02/04 ・2981字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 511 ・六年級

一九七八年,俄羅斯科學家阿納托利.布戈爾斯基(Anatoli Bugorski)在視察俄羅斯最強的粒子加速器(能把亞原子粒子加速到接近光速的機器)「U–70」時,遭主粒子束打中後腦勺,並從鼻子穿出。他不覺得疼痛,只表示看到「宛如上千個太陽的閃光。」醫生速速把他送去醫院檢查,以為他會死於輻射中毒。不過,除了臉部癱瘓、偶爾癲癇、輕微輻射病及頭上有個小洞之外,布戈爾斯基並無大礙,繼續完成博士學位。

大型強子對撞機。圖/flickr

那強百倍的大型強子對撞機可以嗎?

這是不是表示,你可以把手放進歐洲新的大型強子對撞機(Large Hadron Collider)?你會不會得到一個挺酷的傷疤,除此之外毫髮無傷?不。你和你的手都不會這麼幸運,畢竟俄羅斯 U–70 加速器的威力還不到大型強子對撞機的百分之一。

大型強子對撞機是世上最強大的粒子對撞機,可把在十七哩(二十七公里)圓型隧道內的質子,加速到 0.99999999 c(時速僅比光速少七哩),並在世上最大的撞擊大賽中讓它們相撞。這撞擊威力相當強大,曾引發小社群強烈反彈,擔心會產生足以吞噬地球的黑洞。

大型強子對撞機可把質子加速至0.99999999 c(時速僅比光速少七哩)。它們相撞的撞擊威力相當強大,曾引發小社群強烈反彈,擔心會產生足以吞噬地球的黑洞。圖/pixabay

這質子束是由一千億個質子構成,若加速到接近光速,會帶有巨大能量,相當於四百噸的列車以時速百哩前進。

質子束的能量很強,可在一毫秒內在銅中鑽一百呎(約三十公尺)深。正因如此,多數加速器都指向地底,以免故障時質子束射向城市,造成傷亡。

震破耳膜的巨響──電子束的第一波衝擊

這樣你該明白,為什麼不能把手伸進質子束了吧?但假設你沒看見警告標誌,仍然把手伸進去。那麼,第一個會出的問題是什麼?你的耳朵。

在大型強子對撞機中,碳纖維骨架引導質子束的前進。如果質子束偏離,會撞擊到碳纖維,這聲音聽起來就像你站在演唱會的喇叭之前那麼大聲。之後,當科學家做完實驗,這質子束的能量就會被扔進當作質子阱(proton trap)的石墨塊,聽起來像是兩百磅(九十一公斤)的黃色炸藥(TNT)爆炸,足以震破耳膜。

如果質子束偏離,會撞擊到旁邊的碳纖維骨架,而你的耳朵就好像站在演唱會的喇叭之前。當實驗結束,這質子束的能量就會被扔進當作質子阱(proton trap)的石墨塊,聽起來像是兩百磅(九十一公斤)的黃色炸藥(TNT)爆炸,足以震破耳膜。圖/pixabay

因此,你得戴耳塞。但說真的,耳膜震破是最不嚴重的問題。更大的問題在於質子束的力量。

手一動就切兩半──電子束的第二波衝擊

質子會毫無阻礙地通過你的手。質子束很小,寬度只和鉛筆的鉛芯差不多,且移動速度之快,你根本不會覺得痛。質子束很可能錯過你的骨頭,你的手或許能繼續正常運作,但只有手掌在非常非常靜止的時候是如此。

U–70 俄羅斯反應器不僅力量比大型強子對撞機小得多,而且只打出一發,因此布戈爾斯基頭上只有一個洞。大型強子對撞機比較像質子機關槍,在兩秒內發射將近三千發。如果你在第一發時把手抽離,質子束就會把你的手切成兩半。

萬別這麼做

U–70 俄羅斯反應器只打出一發,因此布戈爾斯基頭上只有一個洞。大型強子對撞機比較像質子機關槍,在兩秒內發射將近三千發。如果你在第一發時把手抽離,質子束就會把你的手切成兩半。圖/pixabay

輻射中毒而死──電子束的第三波衝擊

質子穿過你(但願是)靜止的手時,還會發生另一個更嚴重的問題。移動得這麼快的粒子必定有強烈的輻射。即使你離質子束好幾公尺,得到的輻射量還是會和照完整的胸腔 X 光一樣。

不過,如果質子束打到你,你究竟會得到多少輻射卻很難說。質子束本身帶有極大量的輻射,殺死你還綽綽有餘,不過大部分的輻射會錯過你。這是因為,雖然你認為你的手是靜止的,但從原子層次來看,其實是很大的空間。

如果你手上的一個原子放大成足球場的規模,那麼原子核就是在五十碼處的一粒彈珠。由於朝你發射的輻射子彈也相當小,多數都會錯過,因此饒了你一命,你不會馬上死。可惜的是,雖然大部分會錯過,但你可能被剛好夠多的輻射量擊中,於是緩慢而痛苦地死去。

質子束本身帶有極大量的輻射,殺死你還綽綽有餘,不過大部分的輻射會錯過你。可惜的是,雖然大部分會錯過,但你可能被剛好夠多的輻射量擊中,於是緩慢而痛苦地死去。圖/pixabay

即使 U–70 加速器不到大型強子碰撞機力量的百分之一,就差點讓布戈爾斯基死於輻射中毒。有鑑於此,我們敢打包票,大型強子碰撞機的質子束必定會奪去你的性命。質子束打到你手部時所產生的粒子,會以至少十西弗的輻射毒害你全身,而你的經歷會像一九九九年日本東海村核燃料製備場的意外中,兩名死亡的工作人員一樣。

巨量輻射讓你怎麼死?

大內久與篠原理人在製造小批量的核燃料時,因配方計算錯誤,導致混合物發生臨界事故。即使是接觸到致命的輻射量,受害者也不會立刻感到不適。症狀可能要經過幾個小時才會浮現。但是暴露在極端大量的輻射量時(例如你、大內久與篠原理人),症狀卻會馬上出現。

等到質子束穿過你的手,你眼前會馬上出現藍光,這是因為輻射通過你眼球液體的速度比光速還快(光速在水中的速度,比在真空慢三○%),並產生看起來是藍色的電磁波,稱為「契忍可夫輻射」(Cherenkov radiation)。大內久與篠原理人都說看見房間變成藍色,然而安全攝影機卻未顯示任何顏色改變。

質子束穿過你的手,你眼前會馬上出現藍光,稱為「契忍可夫輻射」(Cherenkov radiation)。 圖/wikimedia

質子束的能量會讓你變熱,因此你除了覺得房間顏色變藍之外,也會感覺變得很熱。你也會馬上想吐,因為輻射攻擊胃壁。你的皮膚則嚴重灼傷,此外還呼吸困難,可能失去意識。

你的白血球數量會降到趨近零,免疫系統無法發揮作用,內臟慢慢受損。醫生能治療你的症狀,卻無法挽回遭到輻射毒害的器官。你會在四到八週內死亡,確切時間取決於你所接收到的輻射量及內臟損壞惡化的速度。

不過,你手上的洞會很小,遲早會癒合,只留下小小的傷疤。

 

 

本文摘自《然後你就死了:被隕石擊中、被鯨魚吃掉、被磁鐵吸住等45種離奇死法的科學詳解》,2018 年 5 月,臉譜出版。

臉譜出版_96
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臉譜出版有著多種樣貌—商業。文學。人文。科普。藝術。生活。希望每個人都能找到他要的書,每本書都能找到讀它的人,讀書可以僅是一種樂趣,甚或一個最尋常的生活習慣。

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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
科學大抖宅_96
・2016/03/11 ・3528字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 558 ・八年級

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。
科學大抖宅_96
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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,大學兼任助理教授。人文社會議題鍵盤鄉民。人生格言:「我要成為阿宅王!」科普工作相關邀約請至 https://otakuphysics.blogspot.com/