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反斥重力是暗能量的替代品(上)

only-perception
・2012/02/10 ・1717字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 556 ・八年級

當科學家們在 1998 年發現宇宙正以加速中的速率膨脹時,暗能量能解釋這種觀測結果的可能性引發了關注。但在理解暗能量實際上是什麼時,卻沒有多大進展,因此對某些科學家來說,這個想法反到成了一種問題而非解答。其中一位物理學家,義大利 Pino Torinese,National Institute for Astrophysics (INAF) 的 Massimo Villata(他將暗能量描述成「embarrassing(令人尷尬的、令人為難的)」)表示,這個概念對標準宇宙論而言是一種特例元素(ad hoc element,特設元素),而且缺乏任何物理意義。 Villata 是尋求宇宙加速擴張新解釋的眾多科學家之一,那涉及反斥重力(repulsive gravity)的某些形態。在此例中,反斥重力可能根源於隱藏在空洞(void,譯註:天文學裡宇宙絲狀結構的空無之處)中的反物質。

“宇宙空洞(尤其是附近的 Local Void,譯註:位於處女座超星團內)在觀測上眾所周知,而且在我們宇宙的組成中構成了最龐大的結構,” Villata 表示。”問題在於,它們是否真的空無一物或包含會排斥的反物質。”

在 Villata 的論文中,那很快要被發表在 Astrophysics and Space Science 期刊中,他指出反物質可能被藏匿在這些廣大的空洞中,因相互重力排斥而與物質分開。如同他先前的解釋,物質與反物質間的重力排斥是廣義相對論的預測之一。在這種情況下,物質具有正重(力)荷(positive gravitational charge),而反物質則有(假想的)負重荷。結果,物質與反物質在(各自的)重力上都是自我吸引(self-attractive)而非排斥。事實上,物質與反物質之間的重力排斥可能相當強大,Villata 算出,那可能是宇宙加速膨脹的原因,且排除暗能量與可能的暗物質的需求。

這種形態的反斥重力甚至在理論上都能解釋某些連暗能量(甚至在理論上)也無法解釋的觀測。最近,科學家觀測到一種異常的「Local Sheet」運動,這部份的宇宙包含銀河系與鄰近星系,那有別於宇宙其他部份,擁有自己獨特的速度。天文學家已確認三種造就 Local Sheet 速度的分量(components):一是由於眾所周知的、來自鄰近稠密的處女座星系團的吸力;第二種分量(雖然它的起源仍不清楚)被認為是由於半人馬座星系團的吸引力;而第三種分量則是天文學家所謂的「局部速度異常(local velocity anomaly)」,因為那並沒有指向任何特定結構。

根據 Villata 表示,不像前二種分量是吸引力,第三種分量可以是排斥力。為了支持這種可能性,他提到 Leo Spur 星系,那位於 Local Sheet 與吸引區之間,顯然是造成這種運動的其餘部份。 Villata 指出,第三種分量的來源也許是在相對的地方,排擠 Local Sheet 而非吸引它。他算出,一堆合理的、位於特定空洞中的反物質,可以解釋反斥重力機制所造成的局部速度異常。

在這種方式下,反物質表現如同我們本區鄰近區域中的暗能量。在大尺度下,眾多反物質空洞能驅使宇宙的擴張而不需要暗能量,甚至可能也不需要爆炸性的大霹靂(這意味著循環的宇宙)。該理論也暗示,我們活在一個物質與反物質等量的宇宙中,一如標準理論的預期。對 Villata 而言,這些結果使得反斥重力成為誘人的暗能量替代品。

“暗能量被認為均勻地瀰漫,故它能(在形式上,而非物理上)解釋整體的加速,” Villata 表示。”但它既不能解釋 Local Sheet 上的強烈排斥效應,也不能解釋 Local Void 的極端虛無,以及我們外星系鄰近地區的數種其他特性,不過這裡所提出來的、反物質在 Local Void 的「暗衝擊(dark repulsor)」,能解釋這些所有的事,而且在全宇宙的層次上(所有的宇宙空洞都藏有反物質),可在不需要暗能量與有趣的初始爆發的情況下,解釋整體的加速擴張(以及其他宇宙特色)。”

Villata 希望這些想法能夠經由實驗來檢驗,雖然這樣的檢驗會很困難。

“某些人也許會認為我對「廣義相對論預測的反重力」的分析並不正確或適當,” 他補充。”在此例中,更進一步的、決定性的檢驗,我的最新論文裡有提到:反重力透鏡效應(antigravitational lensing effect)。原則上,如果我們有一套良好的、位於空洞之後的 3D 星系星團測繪,那麼要分析在視線周圍的它們,在形狀上是否受到擠壓則會相對容易。這樣的擠壓意味著它們與介於中間的空洞裡,大量密集的反物質排成一列。”

但問題是,這裡有另一種併發的效應,那在徑向方向上強烈扭曲星系的分佈,由於這種奇特的運動,也影響了紅位移的測量:上帝的手指效應(the finger-of-god effect),那沿著視線伸展星系團的形狀。所以那非常難以區別:一個因為這種效應而被嚴重伸展的星系團是否會更進一步被反重力透鏡所稀釋。”

資料來源:PHYSORG:Repulsive gravity as an alternative to dark energy (Part 1: In voids)[January 31, 2012]

轉載自only-perception

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only-perception
153 篇文章 ・ 1 位粉絲
妳/你好,我是來自火星的火星人,畢業於火星人理工大學(不是地球上的 MIT,請勿混淆 :p),名字裡有條魚,雖然跟魚一點關係也沒有,不過沒有關係,反正妳/你只要知道我不是地球人就行了... :D


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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

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科技魅癮_96
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《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》