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全球暖化,深海海水也會跟著酸化?

活躍星系核_96
・2018/01/13 ・1680字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 560 ・八年級
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  • 中山大學發表以日本海為核心的研究成果。圖/By Chris 73@Wiki

國立中山大學海洋科學系講座教授陳鎮東主導台日合作團隊,發表全球變遷研究「全球暖化將加快深海海水酸化」(Deep oceans may acidify faster than anticipated due to global warming ),登上國際頂尖期刊《自然氣候變遷》(Nature Climate Change)。

本研究以日本海為例,證明暖化可能會加快深海海水酸化。

燃燒化石燃料放出的二氧化碳(CO2,又稱人為CO2)不只是造成全球暖化的溫室氣體,CO2 同時也是種酸性氣體,越來越多 CO2 溶到海水裡,就會造成海水酸化,衝擊著海洋生態的永續發展。

日本海研究,揭發全球暖化造成深海海水酸化

研究團隊成員、國家實驗研究院台灣海洋科技研究中心助理研究員雷漢杰解釋,以往在大洋觀察到的現象是,表水酸得最快,酸化速度則隨深度增加而減少,在 1000 多米深以下的海水,就已看不出有明顯酸化;但是在日本海,卻有不一樣的情況。

研究團隊重建過去幾十年日本海的海水酸鹼值(pH值),發現日本海 2500 米深的海水,酸化速度竟比表水的快了將近三成,而造成日本海深水酸化的元兇,不是人為排放的 CO2,而是有機質分解釋放出的 CO2

暖化會造成表層海水密度下降而沉不下去更深的地方,海水的上下對流就因此變慢或停下來,但從表水掉到深海的有機質仍舊被微生物分解而放出 CO2,就像食物放久了會「臭酸」一樣,海水的滯留時間越長,就會累積越多的 CO2 而變得越酸。日本海就像是一個迷你型的海洋,因為體形小,所以對氣候改變的反應較大洋快。

「過去幾十年裡在日本海看到的變化,未來很有可能會發生在整個大洋裡。」

──陳鎮東教授提醒

本研究使用的日本海紀錄站位置。圖/Chen et al, 2017

海洋酸化將衝擊生態與漁業發展

從目前的研究結果可見,未來海水酸化將衝擊到海洋生態以及漁業發展。 根據最新研究發現,在比較酸的海水中成長的仔魚,有些魚種的聽力會出現相當程度的受損,難以聽到獵食者靠近的聲音,大大降低其生存機會。

「科學家把蛤蜊養在不同酸度的海水裡,發現在越酸的海水裡,蛤蜊長得越小隻,貝殼構造也越不結實、健全。」陳鎮東講座教授進一步指出海水酸化對生物造成的嚴重影響,他表示,碳酸鈣是構成許多海洋生物殼體或骨骼的主要材質,例如珊瑚的骨格、貝類的殼等等;但碳酸鈣怕酸,海水一旦變酸,這些生物就會長得不好。

碳酸鈣是許多生物殼體或骨骼的主要材質,海水一旦變酸對他們的生長就會有不好的影響。圖/MrGajowy3@pixabay

雷漢杰強調,本研究歷時三年多,重建過去幾十年日本海不同深度海水的碳化學參數,實屬不易。過程中,陳鎮東講座教授更多次親赴日本相關單位,了解過去在日本海收集的數據的品保與品管(QA/QC)。陳鎮東教授過去發表關於日本海的論文,是重建過程的一大關鍵;而日本氣象廳近幾年分析的碳化學數據,以及陳鎮東教授與龔國慶教授 1992 年在日本海收集的數據,成為驗證重建結果好壞的重要指標。

本研究兩位作者,陳鎮東講座教授(左)與雷漢杰研究員(右)圖/國立中山大學提供。
  • 本研究論文的共同作者還包括陳鎮東講座教授的碩士畢業生謝佳翰、日本國際封閉式沿海環境管理中心(International Environmental Management of Enclosed Coastal Seas Center)的 Tetsuo Yanagi 教授、日本氣象廳氣象研究所的 Naohiro Kosugi 與 Masao Ishii 研究員,以及國立海洋大學的終身特聘教授龔國慶老師。
  • 本文編修自國立中山大學新聞稿「暖化加快深海酸化 中山大學跨國研究登頂尖期刊」

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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

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從火海中重返生活,對抗疤痕攣縮的復健之路:陽光社會福利基金會林靜嫄職能治療師專訪——《科學月刊》
科學月刊_96
・2023/11/29 ・5048字 ・閱讀時間約 10 分鐘

  • 採訪報導|張樂妍/本刊主編
  • Take Home Message
    • 燒燙傷的傷友在生理修復過程必須經過疤痕增生及攣縮,且需要長時間的復健治療,使他們重建原有生活的身心歷程艱辛又漫長。
    • 身體將傷口迅速補好的過程會產生疤痕增生,快速增生的細胞還形成向心收縮的拉力造成疤痕攣縮,導致身體無法伸展。
    • 為抵抗疤痕攣縮,復健過程會不停重覆將疤痕展開的疼痛與挫折。而治療師會為他們找到復健目標,陪伴他們重建基本生活到完成復建。
圖為職能治療師林靜嫄。圖/張樂妍拍攝

本文採訪陽光社會福利基金會的代理復建督導——林靜嫄職能治療師,她向我們分享了燒燙傷病患皮膚修復的生理機制、在復健過程的原理、身心理歷程,以及職能治療師在此過程中的角色。

陽光社會福利基金會以提升顏損及燒傷者的生活品質與自我價值、促進健康、安全及平權的社會環境為宗旨,藉由社會關懷的力量和專業服務,陪伴協助顏面損傷及燒傷朋友勇敢踏上艱辛漫長的重建路程。

2015 年熱夏,新北市八仙樂園發生塵燃事件,導致 499 人燒燙傷、15 人死亡。這場意外不僅震驚全臺,當年臺灣全民健保共花費 7.65 億臺幣醫治這些燒燙傷傷友。2016 年 4 月,士林地方法院在判詞中描述倖存者的身心經歷:

「⋯⋯多數被害人亦因二度至三度大面積燒傷,歷經清創、換藥、植皮手術,承受生不如死之疼痛,且隨著疤痕增生攣縮,需進行多次皮膚修整重建手術,每日復健更需忍受皮膚拉扯之疼痛,治療及復健過程極其艱辛漫長,又燒傷部位無法排汗,痛癢難耐,承受諸此種種生理層面難以忍受的煎熬。」

「⋯⋯關節及手指、腳趾之原有機能,亦難以完全治癒而回復正常,影響日常生活自理能力,不僅無法過正常生活,對未來求學、工作就業均產生極大之困難與障礙,信心低落;長期穿著壓力衣及疤痕外觀更需面對外界異樣眼光⋯⋯」

燒燙傷的治療不像是一般傷口的生理修復過程,其中必須經歷的疤痕增生及攣縮,需要長時間的復健治療。對於燒燙傷傷友而言,這趟回到正常生活的過程,宛如一場永無止盡的夢靨。

疤痕保護傷口,卻阻礙了生活

讓我們回到傷害形成的當下,將鏡頭拉近到細胞層級的皮膚組織。皮膚從外到內可分為表皮、真皮、皮下組織三個部分,而表皮又可分成五層細胞結構。表皮中最裡面的基底層具有增生表皮細胞的功能,與真皮乳突層的膠原纖維和彈性蛋白相接,並以網釘狀的結構穩定表皮與真皮間的連接處。當燒燙傷發生,如果只傷害到基底層以上的表皮,基底層會長出新的細胞恢復表皮狀態,例如曬傷導致的脫皮,表皮可自動修復為原來的狀態,此狀況屬於第一度燒燙傷。

但是當基底層被破壞,也就是傷害波及到真皮層時,表皮與真皮之間的穩定度不足而互相剝離,便容易產生組織積液(水泡)。同時表皮層的破壞使真皮層中的神經末梢暴露,此時的傷口會比一度燒傷更加疼痛。這樣的情況是第二度燒燙傷,依傷口深度又可分為淺二度和深二度,淺二度約 14 天可恢復,深二度則需約21天的修復時間。淺二度的傷口在修復且疤痕成熟後,外觀及顏色上會與原本皮膚有些許差異(例如暗沉淺棕色);深二度以上的傷口即使在完全癒合且疤痕成熟或相關治療後,仍會在傷者身上留下明顯的瘢痕印記,例如被滾水或排氣管燙到而留下的疤痕。若傷口已接近皮下組織、真皮層幾乎被破壞殆盡,則進入第三度燒燙傷。此時的皮膚已完全失去再生能力,須以植皮手術盡快關閉傷口,三度以上的大面積傷者也可能有傷口感染及敗血症的高度風險;更嚴重者是傷及皮下組織的第四度燒燙傷,不僅血液循環系統遭破壞,在組織壞死的情況下甚至有截肢的可能。

人體的皮膚結構與燒燙傷等級

圖/Adobe Stock

在一道新的傷口出現後,血小板會快速聚集以凝血,白血球等免疫細胞負責吞噬細菌抵禦外敵,使傷口周遭開始出現紅、腫、熱、痛等發炎反應,並從基底層開始修復。治療師林靜嫄比喻這時的皮膚狀態:「皮膚出現傷口時就像房子門戶大開,當有僵屍(細菌)入侵,身體會想要趕快把門窗堵好、磚頭堆好,此時真皮層的膠原母細胞所分泌的膠原纖維,就是我們封閉門窗的木板和磚頭,它可以讓組織向心收縮、使傷口縮小,加速傷口的癒合。但在情急之下,當然就會填補得很亂(膠原纖維排列混亂)。即使傷口癒合之後,身體還是會擔心外敵入侵,持續堆疊加固的過程會使組織向外凸起,這段過程就是疤痕的增生期。」她繼續解釋,此時的身體讓膠原細胞不停增生、堆疊,雖然可以將傷口迅速補好,但也會產生突起的疤痕;而且因疤痕組織的排列結構既不穩固彈性又差,限制皮膚延展性的同時又容易反覆出現新傷口,導致復健之路困難重重。

初生的疤痕呈現紅、凸、硬、緊的樣貌,要經歷數年的時間才能完全成熟——「成熟的過程就像身體把原本混亂排列的木板磚頭(膠原纖維)拆掉,再重新排好蓋新的取代,慢慢替換成比較穩定的結構,也將突起的組織逐漸化為平整。」林靜嫄說道。然而,即使突起的組織可以等身體自主代謝分解或以雷射等方式淡化消去,但組織修復所產生的疤痕卻會持續影響傷友的生活機能。

阻止疤痕攣縮

你在趕路時會選最短路線嗎?皮膚在修補時又急又緊張,建構新組織時也會選擇最短路徑,快速增生的細胞還形成了一股向心收縮的拉力,這樣的現象被稱作「疤痕攣縮」。當疤痕攣縮發生在大面積或關節處時,身體的伸展就會出問題。

舉例來說,當手肘外側受傷,疤痕增生時手臂若保持伸直,因皮膚依最短路徑去修補傷口,沒有恢復關節處原有的皺褶,手臂就會變得無法彎曲。在皮膚原有的彈性和皺褶面積無法重建的情況下,活動時就會拉扯到才剛修復的皮膚,如果沒有在疤痕攣縮時進行復健,疤痕處甚至可能無法動彈。由於全身的皮膚緊密相連,不論身體哪個部位發生疤痕攣縮,都可能影響到全身的活動及傷友的日常生活。

為了不讓疤痕影響身體動作,肢體必須擺放在正確的位置,而且一定要適當的活動,才能展開收縮的地方。如果我們將疤痕放大到組織層級觀察,在經常拉開疤痕的動作中,組織被慢性地施加機械應力,讓細胞間出現空隙後,便能夠促成細胞、血管、表皮等組織的再生。這種軟組織結構的變化過程被稱作生物潛變(biological creep)。除此之外,對疤痕加壓也是重要的復健步驟,「就像在跟疤痕說『OK 了!不用再長囉!』,原本紅紅的疤痕要壓到呈現泛白的情況,才有效果。」林靜嫄說道,適當的壓力可以阻擋血流量,以減少養分送達,便能減緩組織大量增生的速度,還可以促進組織纖維的正常排列。

可利用復健模具幫助面部的加壓。圖/張樂妍拍攝

當疤痕組織的合成與分解反應達到平衡、不再增生,肥厚、鮮紅又緊繃的外觀變得平緩、暗沉且柔軟,疤痕便結束上述成熟的過程,來到成熟期。這時疤痕的攣縮力道微乎其微,而達到較穩定的狀態。只不過上述過程都是科學上的變化過程,實際情況將涉及更多不可控的因素,處處阻撓著傷友回歸到正常生活。

看不見盡頭的復健之路

實際上傷友在抵抗疤痕攣縮的過程,可能有以下幾點因素會增加他們在復健上時的困難:

1. 疤痕攣縮不分日夜

「我們人只有在白天活動啊!」林靜嫄說道。但晚上的疤痕仍在不停生長,因此傷友會需要許多道具協助,例如壓力衣,可以持續提供疤痕穩定的壓力值,並促進疤痕成熟。另外睡覺時的姿勢也很重要,各種副木或支架及彈力繃帶便是最佳幫手。

2. 復健過程的不適

將疤痕拉扯、伸展開來的撕裂感十分疼痛。受傷面積涵蓋各部位的傷友就更加辛苦,例如傷口同時在膝蓋的外、內側,站久了便不能坐下,坐久了就站不起來;在手臂的大面積疤痕,即使沒有覆蓋關節處,疤痕攣縮仍可能讓手肘和手腕無法活動。當組織及神經在修復時,還會有刺痛、麻、搔癢的感覺。

3. 傷友還在成長階段

新生兒或兒童的生長速度快,皮膚修復也較快,但也因為還在發育,即使疤痕成熟仍必須長期觀察。成熟的疤痕雖具有一些延展性,不過一定不比一般皮膚好,如果延展性跟不上身體成長速度,傷友就可能需要另外的手術治療。

4. 如果傷友需要工作

林靜嫄分享過去的傷友案例中,需要久站的工作者十分不易。因傷處微血管循環的改變,可能使得傷友的肢體血液循環不良,在肢體垂放或久站的情況下出現血液鬱積(充血)反應。此時肢體會彷彿有一群螞蟻在啃咬般難受,因此工作中需要固定姿勢或維持動作時,傷友較容易感到不適。此外,傷友在返回職場前除了要克服肢體活動的問題之外,還要面臨體能及動作流暢度不如過往、工作中主管及同事的關心或質疑、外觀改變的適應問題等,「大多還是期望可以返回原職場與原職位,但在一些限制下,部分傷友會選擇在原職場轉換為內勤工作,或是藉由職涯探索與職訓安排,轉換工作的跑道。」林靜嫄說道。

5. 復健成效及所需時間都無法預估

傷燙傷面積和位置是決定復健所需時間的關鍵,然而每個人的復原狀況都不相同,受傷程度也有大有小,更何況疤痕攣縮可能影響全身肢體的活動。因此即使有數據表示,疤痕成熟通常需要花費 1~2 年,實際的復健成效及所需時間仍無法準確評估。

壓力衣可以持續提供疤痕穩定的壓力值並促進疤痕成熟。圖/張樂妍拍攝

對於燒燙傷傷友,抵抗疤痕攣縮就是它們時時刻刻且長期要面對的課題。治療師及陽光社會福利基金會的角色便是協助他們的復健過程,幫助他們重新恢復自主生活的能力。

從燃燒的身心歷程裡畢業

除了身體上的疤痕之外,傷友心中的疤痕也是非常需要被關注的議題。林靜嫄說道,重建生活最首要的便是吃飯、走路、上廁所,而這三件事也緊扣人們的自尊心。當這三件事情需要他人協助時,人們常會覺得自己是一個失能的人,沒有任何用處。而更加令人感到痛苦的是,復健是一段需要不停重覆的歷程。疤痕會一直維持向心收縮的狀態,如果傷友今天把疤痕拉開,隔天可能又會縮合回原狀;今天練習時,能順利將杯子從架子上拿起來放到桌上,明天卻有可能連杯子都碰不到。這樣反覆的過程將使得傷友懷疑自己努力及疼痛的意義,偌大的沮喪感讓復健的過程因此變得難上加難。還有更多的情況包含在火災中失去家園、龐大的經濟壓力,甚至失去身體的某些部分,都讓他們距離原來的生活更加遙不可及。

「我們會努力去找到傷友每一天與前一天不一樣的地方。讓他們知道:『你今天也移動了一公分,這是很重要的一大步!』只要每一天都能找到進步的證據,對他們來說就是很大的意義。」林靜嫄分享她的工作經歷,他們為每個復健中的人們找到復健的目標,可能是回到職場、回到健身房,或是再次為了家人煮飯、做到自己喜歡的興趣等,再為他們設下階段性的小目標。從重建基本生活自理開始,逐步完成一個個小目標,讓傷友們看得見自己的進步過程。「讓他接受現在的狀態,了解我們要一起經過的復健歷程,最重要的是找到動機、有了前進的方向與動力。而我們會溫柔的接住傷友與家屬們。」林靜嫄表示,只要每天確實累積,復健的功效就會在某個時機顯現。而動機與彼此陪伴的能量,就是傷友最大的助力。

從傷口形成到疤痕攣縮,再從復健開始到達成目標,這段路有長有短,但許許多多的傷友們最後都還是努力地回到原本的生活當中。林靜嫄說他們把這段歷程的結束,也就是離開復健中心,稱之為畢業。每個人都有自己的生命故事與歷程,都可能經過傷痛帶來的課題。或許每一種傷痛都不盡相同,或許難以感同身受,但我們可以一起試著理解、一起相伴走過。最後,期許我們都能從傷痛這堂課裡畢業。

  • 〈本文選自《科學月刊》2023 年 12 月號〉
  • 科學月刊/在一個資訊不值錢的時代中,試圖緊握那知識餘溫外,也不忘科學事實和自由價值至上的科普雜誌。

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【2023 諾貝爾物理獎】什麼是「阿秒脈衝雷射」?能捕捉到電子運動的脈衝雷射?
PanSci_96
・2023/11/28 ・5940字 ・閱讀時間約 12 分鐘

林俊傑《江南》:「相信愛一天,抵過永遠,在這一剎那凍結了時間」

這一剎那持續了多久?這出自佛經的時間單位有多個解讀,其中最短,可以對應的國際單位制是阿秒。 1 阿秒又有多快呢? 1 阿秒等於一百萬兆分之一秒,是已經短到不行的飛秒的千分之一。在這段時間,別說是談戀愛了,連世界上行動最快的光,也只能移動一顆原子直徑的距離。

在阿秒的時間尺度裡,連光都得停下腳步,過去我們認為捉摸不定的電子,也終於將在我們眼前現身。 2023 年的諾貝爾物理學獎,正是頒給了三位帶領人類進入阿秒領域,探索全新世界的科學家。而這項技術,還可能讓電腦的運算速度加快一萬倍!

就讓我們一起來進入阿秒的領域吧,領域展開!

什麼是阿秒脈衝雷射?

今年諾貝爾物理學獎的三位得主分別是 Pierre Agostini 、 Ferenc Krausz 、和 Anne L’Huillier ,表彰他們對阿秒脈衝雷射實驗技術的貢獻。

圖/X

所謂的阿秒脈衝雷射,指的是持續時間僅有數十到數百阿秒的雷射。當我們能使用脈衝雷射來觀察目標,就好比使用快門時間極短的相機對目標拍照,能捕捉到瞬間的畫面。

2018 年的諾貝爾物理學獎,就頒給了極短脈衝雷射的研究。短短 5 年後,雷射領域再次得獎,但這次是更快的阿秒雷射,能捕捉到電子運動的超快脈衝雷射。

世界上沒有東西能真正的觸碰彼此?看見電子能帶來什麼突破?

為什麼看見電子的運動那麼重要呢?我們複習一下原子的基本構造,在原子核之外,帶有微小負電荷的電子,被帶正電的原子核束縛住。量子力學告訴我們電子沒有確切的位置,而是以特定的機率分布在原子核周圍的不同地方,也就是所謂的電子雲。

圖/YouTube

雖然電子的體積比原子核小很多,但電子雲的範圍,卻占了原子體積的絕大部分。在物理或化學反應中,真正和其他原子產生交互作用的,幾乎都是這些外面的電子。在電影《奧本海默》中,當男女主角手心貼著手心,奧本海默這時卻說:「世界上沒有東西能真正的觸碰彼此,因為我們觸摸到的物體,都只是其中原子的電子雲和我們手上的電子雲產生的斥力。」

圖/screenrant

對了,這種話也只有奧本海默跟五條悟可以講,一般人請不要隨便亂牽別人的手。

除了和心儀的他牽手,不同的電子排列狀態也會直接影響物質的化學活性、材料的導電導熱等基本性質,各種化學和物理過程都和電子息息相關。從非常實際的層面來說,電子可以說是物質世界最重要的基本單位。所以不難想像,如果我們能看見電子,甚至獲得可以操縱個別電子排列與能量的技術,我們能真正成為材料的創世神,許多不可能都將化為可能,是相當重大的突破。

捕捉電子運動有多困難?

但要操縱電子可不是什麼簡單的事,不只是因為電子非常小,更重要的是他們動得非常快。具體來說,電子在原子周圍跳動的週期時間尺度大約是十的負十八次方秒,也就是一阿秒。一顆原子的大小約是十的負十次方公尺,速度等於距離除以週期,換算下來,電子雲差不多是以光速等級的速度在原子核周圍跳動。

圖/wikipedia

如果要捕捉到阿秒尺度的電子運動,就必須將實驗的時間解析度也提升到阿秒等級,否則就會像是用長曝光鏡頭拍攝亞運競速滑冰比賽一樣,只能拍到一團糊糊的影像,而沒辦法分出勝負。

可是,在 1980 年代,脈衝雷射最快只能達到十的負十五次方左右,還只有飛秒等級。而且光靠當時的技術和材料優化,已經沒辦法再縮短脈衝時間了,因此這時候,就要從原理上重新打造一套方法了。

如何製造更快的脈衝?

首先,要製造更快的脈衝並不是用頻率更高的電磁波就好。你想,我們在拍照時,想要讓曝光時間更短,要改善的不是把室內光源從可見光改成頻率更高的紫外光,而是調快快門的開闔速度,讓光一段一段進入感光元件中,變成影片一幀一幀的畫面。而這一段一段進入像機的光訊號,就像是我們的脈衝。

不論是皮秒雷射、飛秒雷射還是阿秒雷射,一直以來在做的都是同一件事,在整體輸出功率不變的情況下,讓每一次脈衝的持續時間更短,同時單一次的功率也會更高。簡單來說,就是要從無數次的普通攻擊,變成每一次都是集氣後再攻擊。

但要怎麼為光集氣呢?光和其他波動一樣,可以和其他波動疊加。把不同頻率的光疊加在一起,波峰和波谷會抵消,波峰遇上波峰則會增強。只要用特定的比例組合許多不同頻率的光,就可以在整體總能量不變的情況下,產生一個超級窄的波峰,其他地方全部抵銷。

1987 年,本次諾貝爾獎得主之一的 Anne L’Huillier 教授發現,當紅外線雷射穿過惰性氣體時,氣體會被激發放出整數倍頻的光。也就是氣體放出許多不同頻率的光,而這些頻率都是原本光源頻率的整數倍,從兩倍三倍到三十幾倍以上的高倍頻光都有。而橫跨這麼大頻率範圍的光,就能組合出時間長度很短的脈衝光。

不過這聽起來未免也太好康了,真的有那麼簡單嗎?

這個看似魔法的實驗背後其實有著相當簡潔的物理圖像。電子原本是被電磁力束縛在原子中,當一道強度夠強的雷射通過氣體原子,原本抓住電子的電位能被雷射削弱。

雖然這道牆只是矮了一些可是還是存在,但此時,在電子的大小尺度下,量子力學發揮了作用。調皮的電子有機會透過量子穿隧現象,穿過這道束縛,暫時逃離原子核的掌控。關於量子穿隧效應的介紹,我們近期也會再做一集節目來專門介紹。

但電子還來不及逃遠,雷射光已經從波谷翻到波峰。電磁波的波谷與波峰,不是指能量的高和低,而是指方向相反。因此在相反的電磁場方向下,不幸的電子被推回原子核附近,再度被原子核捕獲。但在這欲擒故縱、七擒七縱的過程後,電子並非一無所獲,他所得到的動能會以光的形式重新放出。

而因為這些能量最早都來自雷射,因此電子放出的光波長,也剛好會是雷射的整數倍。再說的細一些,你可以理解為這些電子在吸收一顆顆光子後,一口氣釋放這些能量,所以能量都是一開始光子的整數倍。

在 1990 年代,科學家已經掌握了這個現象背後的原理。但一直到千禧年過後。這次諾貝爾獎得主之一 Pierre Agostini 教授和他的研究團隊才終於在適當的實驗條件之下,利用高倍頻光打造出了一連串寬度只有 250 阿秒的脈衝。同時第三位得主 Ferenc Krausz 也使用不同方法,分離出 650 阿秒的脈衝。

最後,獲得阿秒脈衝這個祕密武器之後,我們的世界將迎來哪些變化呢?

阿秒脈衝在各領域的應用

其實啊,有在關注諾貝爾獎都知道,諾貝爾獎通常不會頒給時下正夯的新興研究,前面講的研究,實際上都已經是二十多年前的往事了,而這些辛苦的科學家會在這麼多年後拿下諾貝爾獎的榮耀,正是因為阿秒雷射的發明經過了時間的考驗,成為非常普及的實驗技術,而且被大家公認為重要的科學貢獻。

當然,今年生醫獎的 mRNA 是個超快例外,有興趣的話,別忘了點擊下方影片,看看編劇都編不出來的 mRNA 研究歷程。

說了那麼多,阿秒雷射究竟對人類生活有什麼幫助呢?當然,它能讓我們更深刻了解物質還有光的本質,但是除了幫電子拍下美美的照片放在期刊的封面上,阿秒雷射可以用來做什麼?

在過去這二十年,許多研究已經找到了相當有潛力的應用。

舉例來說,在醫療方面,阿秒雷射可以用來分析血液或尿液樣本。控制良好的超短脈衝可以精準的刺激生物樣本中的各種有機分子,讓這些分子震動並放出紅外線訊號。如果使用的脈衝長度太長,分子釋放的訊號就很容易和原本施加刺激的雷射混在一起,造成量測的困難。唯有阿秒等級的超短脈衝能夠實現這樣的量測。

這些紅外線光譜就像是質譜儀一樣,能幫助我們快速分析血液中的蛋白質、脂質、核酸等重點物質的關鍵官能基狀態。並透過機器學習的方式整合,成為個人化的健康狀態報表,或是做為診斷的依據,將精準醫療提升到全新的層次。

圖/attoworld

不只如此,發送超短脈衝的技術也可能革新當今的電腦運算。電腦運作的方式就是利用電晶體這種微小的開關,不斷的開開關關去發送一跟零的訊號,所以開關電流的速度便決定了你的運算速度。以半導體為基礎的電晶體,工作頻率通常不超過上百 GHz ,在時間上也就是十的負十一次方秒。

自從阿秒雷射技術普及之後,就有科學家想到:既然雷射脈衝的速度更快,那不如就別用半導體了,改用光學脈衝來控制電流作為運算的媒介。這個概念叫做光學電晶體(Optical Transistor)。

今年初,亞利桑那大學的團隊便發展示了如何利用小於十的負十五次方秒的超短雷射脈衝,來開關電流並傳送一與零的位元,這個頻率比現有半導體電晶體快了一萬倍以上。這顯示了光學方法的操作頻率可以有多快,或許能讓我們突破訊號處理和運算上的速度瓶頸。

看完這些便可以理解,阿秒等級的超快雷射脈衝的確是相當近代的一個科學里程碑。就像是科學革命時望遠鏡和顯微鏡的發明,讓人們看見那些最遠和最小的事物,超快脈衝用最快的時間解析度,讓我們看到許多人類從未看過的景象。

阿秒脈衝雷射的出現,是科學上的一個里程碑,讓我們能用更高的時間解析度,讓我們看到許多過去從未看到的景象。最後也想問問大家,在雷射這一塊,你最期待有哪些應用,或者最希望我們接著來講哪個主題呢?

  1. 為什麼醫美、眼科手術那麼喜歡用飛秒、阿秒雷射,真的有比較好嗎?
  2. 使用雷射脈衝的光學電晶體真的有可能取代傳統電晶體嗎?
  3. 除了光學電晶體,最近很夯的矽光子技術,聽說裡面也有用到雷射,可以一起來介紹嗎?

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暗能量是什麼?看不到也摸不著,我們該如何找到它?
PanSci_96
・2023/11/27 ・5683字 ・閱讀時間約 11 分鐘

愛因斯坦對於宇宙的理解錯了嗎?

愛因斯坦的廣義相對論重新改寫我們對於時間、空間、與質量的認知,也開啟我們對廣大宇宙研究的大門。

在宇宙物理學如同大霹靂快速發展之時,我們也發現愛因斯坦最早提出的宇宙模型,可能並不完全正確。

正確來說,我們發現我們過去對宇宙的理解,可能真的太少了。少到我們至今所觀測到的所有物質,可能仍不到整個宇宙組成的百分之五。並不是說這些能量或物質距離我們太過遙遠,而是他們可能就在附近,而我們卻全然不了解它。

其中佔了將近宇宙組成七成的「暗能量」,到底是什麼來頭?我們能徹底了解它,同時能為我們宇宙的存在,提供一個正確的解釋模型嗎?又或者我們能掌握它,來改變宇宙的未來嗎?

暗能量(dark energy)到底是什麼?這聽起來有夠中二的名字,難道是暗影大人的新能力嗎?

其實暗能量的「暗」,指的是我們看不到也摸不到,用上各種波段的電磁波都察覺不到,甚至現今沒有任何儀器能偵測到它的存在。因為我們無法感受到它、不知道他們的型態,所以稱為暗能量。也就是說,如果暗影大人或是哪個最終 BOSS 的絕招是「暗能量波動」,當巨大的能量朝你襲來,不用擔心,站在原地就好,因為它只會穿過你的身體,打不中你的。同樣的,你可能聽過的「暗物質」,指的也是我們無法探知的未知物質。也就是說,暗物質並不是指某種特定物質叫做暗物質,任何我們現在還無法探測到的,都可能是暗物質的其中一種。題外話,近年某些暗物質面紗底下的容貌,已經逐漸能被我們窺見,例如微中子。這部分,之後我們介紹暗物質的節目中,再來好好討論,今天先來和大家聊聊佔了宇宙質能 7 成的暗能量。

矛盾大對決來了,既然我們摸不到,也看不到,我們怎麼知道暗能量存在,還是僅存在我們的中二想像中呢?我們得將時間回推到最早認為宇宙中有未知能量存在的那個人,他不是別人,就是鼎鼎大名的愛因斯坦。

1916 年愛因斯坦推導出廣義相對論,解釋物質和能量如何影響時空的彎曲和演化。愛因斯坦當時認為,宇宙應該是靜態的,但是若宇宙中只有物質,宇宙應該會受重力吸引而塌縮,因此需要與反向的能量來平衡重力,這股能量平均地存在在空間當中。愛因斯坦當時引入了宇宙常數 Λ 來平衡他的靜態宇宙模型,而直到非常近期的 1998 年,暗能量 (dark energy) 這個詞才由物理學家麥可.特納提出。

在愛因斯坦之後,著名宇宙學家傅里德曼提出不同看法,他認為宇宙不一定是平衡的,也可能正在收縮或膨脹當中,並根據廣義相對論推導出 Fridemann 方程式,關於 Fridemann 方程式的故事,先前我們有好好介紹過。

暗能量不只存在於理論上的預測,同時期天文學家開始發現我們熟知的銀河系,並無法代表整個宇宙,原來夜空中很多像星雲的天體,其實是遙遠的星系!宇宙遠比以前認為得大的太多了!1929 年,哈伯進一步發現,這些星系竟然正在遠離我們而去,而且距離我們愈遠的星系,遠離的速度就愈快!宇宙竟然真的是以地球為中心,而地球利用強大的排斥力,將其他星系用力向外推開嗎?當然不是,想像一下,宇宙就像一個葡萄乾麵包,上面布滿的葡萄乾就是各種天體,當麵包發酵膨脹時,不論站在哪顆葡萄乾的視角,所有天體的距離都是互相拉遠,而且距離愈遠的天體,彼此遠離的速度就愈快。

也就是說,哈伯觀測到的結果顯示整個宇宙正在膨脹。但還有一個問題,就是這個宇宙的膨脹速度,是隨著時間經過越來越快的加速膨脹,還是膨脹速度正隨著時間在趨緩的減速膨脹呢?為什麼這個問題很重要?因為如果是減速膨脹,靠現有的重力理論就可以解釋,宇宙中天體所提供的重力,正在使宇宙減速膨脹,甚至宇宙的結局可能會是宇宙重新塌縮。但如果宇宙正在加速膨脹,那麼只考慮重力就不夠了,為了抵抗向內塌縮的重力,勢必要有一股力量要將宇宙向外加速推開。這時,就需要加入暗能量的存在了。

宇宙真的正在加速膨脹?

為了確認宇宙正在減速或加速膨脹,好推算暗能量是否存在,科學家再次將目光投向宇宙深處。隨著觀測技術愈來愈進步,天文學家可以透過不同方式,觀測更早期的宇宙。

愈遠的天體發出的光,需要經過愈長的時間才能傳到地球。假設我們觀察離地球1億光年遠的星球,由於我們看到的影像是從星球出發後,經過 1 億年後才到達地球,因此在望遠鏡中看到的,其實是該星球一億年前的樣子。只要利用這點,如果我們將望遠鏡頭對向更加遙遠的宇宙深處,就能看到更早期的宇宙樣貌,幫助我們了解宇宙過去的樣子。

科學家主要透過三種方法,分別用來觀測晚期、中期、到早期的宇宙。第一種方法是觀測 Ia 型超新星爆炸,它指的是當一顆緻密白矮星到了生命末期,吸收大量鄰近伴星的氣體,使得內部重力超過某個極限,引發失控的核融合而形成的超新星爆炸。這個爆炸會在瞬間釋放出許多能量,亮度甚至可以媲美整個星系,因此即使是很遙遠的超新星也可以被地球觀測到。最受天文學家關注的是,因為每個 Ia 型超新星爆炸時產生的尖峰光度都相同,可以直接作為觀測或是亮度的比對參考點,又稱為標準燭光。當它離我們愈遠亮度就愈小,只要觀測亮度就可以得知它離我們的距離。

Ia 超新星殘骸。圖/wikimedia

接著,透過光譜分析,我們還能得到這個超新星遠離我的的速度。這就像是救護車在靠近和遠離我們的時候,警笛的聲音頻率會因為我們和救護車相對速度的改變而產生變化,同樣的道理放在電磁波上,當超新星遠離我們,電磁波頻譜的頻率會下降,我們稱為頻譜「紅移」。最後,只要我們同時觀測好幾顆超新星,並且量測每一顆的距離和遠離我們的速度,看看是不是真的離我們越遠的超新星離開的速度越快,就可以知道宇宙正在加速或是減速膨脹。

第二種方法是觀測宇宙大尺度結構,宇宙中星系的分佈其實是不均勻的,有些地方有星系團,也有一些地方是孔洞,整個宇宙就像是網子一樣。這是因為宇宙在形成星系時,向內的重力以及向外的氣體與光壓力會彼此抗衡,就像我們在擠壓彈力球一樣,向內壓時內部壓力會增強,導致物質向外拋射,壓力減弱後又會停止拋射,這樣來回震盪的過程,就在宇宙中形成一個個震波漣漪,稱為重子聲學振盪(BAO,baryon acoustic oscillations)。有趣的是,當好幾個地方都在震盪,就會產生類似好幾個水波互相撞在一起的干涉現象。而這個宇宙規模的超大水波槽中,波腹部份聚集較多物質就會形成星系團,波節部份不足以形成星系就形成孔洞,是不是覺得我們的宇宙就像是一鍋湯,而我們只是裡面毫不起眼的一顆胡椒粒呢?不過即使是連一粒胡椒都不如的我們,透過觀測宇宙星系分布並透過理論計算,人類科學家還是可以得知這些結構的大小,並且推知這些結構上的星系距離我們多遠,最後再搭配紅移光譜,一樣可以算出宇宙膨脹的速度。今年七月升空,11 月 8 號從太空傳回第一張照片的歐幾里得太空望遠鏡,它的其中一項任務,就是專門觀測重子聲學振盪,來研究宇宙大尺度結構。歐幾里得太空望遠鏡有望帶給我們對宇宙的全新認知,關於這一部分,我們很快會再來深入介紹。

第三種方法是透過觀測宇宙微波背景輻射,它是宇宙的第一道曙光,在此以前,宇宙能量很高,光和電漿相互作用,不會走直線。但是到了宇宙三十八萬歲時,宇宙已經冷卻到足以讓電子與原子核結合,宇宙終於變得乾淨了,光也終於可以走直線。而三十八萬歲時的早期宇宙的畫面,至今仍不斷經過遙遙 137 億年的時間抵達地球,被我們觀測到,稱為宇宙微波背景輻射。有趣的是,根據這些照片,我們能發現早在 137 億年前,宇宙各處就不是均勻的。透過分析這些微波的分布,科學家能計算出當時宇宙的組成成份。這時我們發現,目前的已知物質,也就是元素週期表上看得到的原子,只佔所有能量的 4.93%,而看不到的暗物質,佔 27.17%,那還有 67.9%,將近七成的組成分是什麼?科學家認為就是暗能量。

宇宙微波背景輻射。圖/wikimedia

哇!暗能量佔的比例這麼高?那我們未來有機會從空間中汲取無限的能量嗎?先不要想的這麼美,其實暗能量在宇宙中的密度很低,依照質能等價公式,質量跟能量是可以互相換算的。換算下來暗能量每立方公分只有 10 的負 24 次方公克,相比之下,水的密度是立方公分 1 公克!真的微乎其微。之所以暗能量在宇宙中佔的能量比這麼大,是因為它均勻的存在在廣大無垠的宇宙中,不像一般的物質,只集中在一些星系和星體中。

現在我們知道暗能量存在,而且量也不少,但回到最關鍵問題,這些暗能量到底是怎麼來的呢?

宇宙與暗能量的未來

科學家普遍認為暗能量是來自「真空能量」,根據量子力學,我們過往認為的真空,其實會不斷短暫的出現粒子並消失。而這些量子漲落便會產生真空能量。雖然這聽起來很玄,但各位看完我們的影片並按下訂閱之後,這些訂閱數就一定會是真的。都看到影片最後一段了,就拜託大家再多動一下手指吧!

而量子力學除了能在真空中產生真空能量以外,這個過程甚至可能幫助我們開啟蟲洞!關於真空能量與時空旅行的關係,可以參考我們的這一集哦(閃電俠)。

為了重新認識我們的宇宙,科學家此時再次拿出了宇宙常數 Λ 和 Fridemann 方程式,建立了一個可以完美解釋前面三種觀測結果的模型-ΛCDM 模型。

ΛCDM 是近代在解釋宇宙微波背景輻射、宇宙大爆炸時,最常被使用的理論。目前對於宇宙歷史與加速膨脹的圖像,也都基於此模型。

ΛCDM模型,加速擴張的宇宙。圖/wikimedia

不過 ΛCDM 理論仍有兩個致命的問題待解決。第一個是理論中的宇宙常數 Λ,應該要與位置、時間無關,是一個不隨時間變化的常數。然而針對觀測早期和晚期宇宙所計算出來的宇宙常數數值卻不一樣,要如何解釋這個觀測差異?第二個問題是,假設暗能量是真空中的量子漲落所造成,依此推算出的宇宙常數數值,還跟觀測差了 120 個數量級!也就是 10 後面有 120 個零,整個宇宙中的原子數量也才 82 個數量級而已!

因此科學家也提出其他可能的暗物質理論。比如認為暗能量不是來自真空能量,而是由一種未知的粒子場所驅動,而這個場與時間有關,導致早期和晚期宇宙的觀測結果有差異。還有人認為根本沒有暗能量存在,宇宙會膨脹,是因為愛因斯坦的廣義相對論在宇宙學這種大尺度中是不適用的!就像牛頓的萬有引力公式在地球上管用,到了太陽系規模就會出現誤差。或許在宇宙規模還有比廣義相對論更完備的其他理論等待我們發現!另一派科學家也認為沒有暗能量,我們會看到加速膨脹,只是因為銀河系剛好位於宇宙大尺度結構的孔洞中,也就是葡萄乾麵包裡面空氣比較多,口感比較鬆的地方,由於這個地方總體重力比較小,天體也就是葡萄乾之間向外膨脹的速度比較快,但不代表整個葡萄乾麵包都在加速膨脹,宇宙加速膨脹只是局部觀測的假象。

這些理論或許可以解釋部份的問題,但沒有一個能解釋所有觀測數據,而且由於觀測的限制,這些理論都缺乏數據的佐證。因此目前我們只能說,暗能量的效應確實存在,但我們還不知道它確切是什麼。

有人可能想問,研究暗物質對我們真的那麼重要嗎?其實,它不只影響了宇宙過去演化的歷史,也影響著我們將來的命運。由於宇宙膨脹,物質的密度會因為膨脹被稀釋,但如果暗能量是常數,就代表密度不會改變,因此宇宙會膨脹的愈來愈快,導致遙遠的星系加速離我們遠去,最後暗能量會超過所有的基本作用力,包括重力、電磁力和核力,星系、太陽系、地球都將被拉開,甚至中子和質子都互相分離,使原子不復存在,進入大撕裂時期,也將是宇宙最孤獨的結局。不過這是一百多億年後的事情,在那之前地球會先被死去的太陽吞沒,我們應該要先煩惱的是要如何移民其他星球才是。

最後總結一下,暗能量到底是什麼?很抱歉,經過了幾十年的努力,這個問題依舊是一個問號,但藉由宇宙學的研究,使我們更謙卑更加發覺自身的渺小,我們或許已經掌握許多物質運作的原理,也開發出許多高科技產品,但這些只是整個宇宙的 5% 仔,宇宙中還有許多未知等待我們去探索,而它深深關係到我們的過去和未來。

最後也想問問大家,你覺得當一切真相大白之時,我們會發現暗能量是什麼呢?

  1. 符合最直覺的 ΛCDM 理論,它就是宇宙加速膨脹的元凶!
  2. 它根本不存在,我們甚至需要比廣義相對論更強的理論來解釋!
  3. 依照人類這個物種的感知等級,可能永遠無法了解暗能量的真相!
  4. 我、我已經無法抑制我左手的暗能量了!啊啊啊~

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參考資料

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