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發現核分裂卻被軟禁的諾貝爾獎得主-奧托・哈恩誕辰|科學史上的今天:3/8

張瑞棋_96
・2015/03/08 ・1094字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 570 ・九年級

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

圖/ wikimedia

1945 年七月,倫敦近郊的一處農場突然被英軍徵用,並派士兵駐守巡邏。外界都不知道裏頭軟禁了十位德國科學家,他們自二次大戰末期陸續被英軍秘密逮捕,之後集中移送至此處。雖然德國早在五月就已無條件投降,但他們因被懷疑參與納粹的核子計畫,仍在接受偵訊調查中。

11 月 18 日這天,房舍突然傳出歡愉的德文合唱聲。倒不是他們即將被釋放,而是其中一位化學家哈恩榮獲諾貝爾化學獎,大夥兒唱歌慶祝;他們從報紙才知道三天前諾貝爾獎委員會宣布了這項消息。哈恩本人並沒有如慣例先接到電話告知,因為根本沒有人知道他的下落。英軍允許他寫信告知諾貝爾獎委員會他欣然接受,但因故無法前往領獎──當然不得透露他被軟禁於此。

哈恩提筆欲書,卻百感交集。當然所有人都認為他獲獎是實至名歸。1938 年以前,從事放射性研究的科學家都認為以中子或 α 粒子轟炸鈾元素,會使鈾原子核捕獲這些粒子而形成更重的超鈾元素。直到哈恩率領研究小組經過一連串的嚴密實驗,確認鈾原子核反而因為中子的射擊而撕裂開來,形成較輕的元素,並釋放出能量,科學家這才認識了難以置信的核分裂現象。哈恩就是因為這個重要發現而獲得諾貝爾化學獎。

因為哈恩的發現,核分裂的研究得以走向正確的方向而突發猛進,成果之一,就是製造出原子彈。當然納粹政權也想製造原子彈,但哈恩並未提供實質協助;他在德國戰敗之前就堅決反對納粹迫害猶太人,勇敢掩護許多猶太科學家,並協助他們逃離德國,他深知納粹德國一旦擁有原子彈的可怕。他根本反對任何國家發展核子武器,當他幾個月前在農舍內讀到日本原爆的慘狀時,幾乎崩潰了!他感覺自己就是始作俑者,而今他卻因發現核分裂而獲獎⋯⋯。

哈恩還是將信寄出了。他應該藉由自己的地位與影響力協助科學走向正確的方向。1946 年初,哈恩終於獲釋,年底才前往瑞典的諾貝爾獎頒獎典禮補領他去年獲得的獎項。他回到德國將原來的國家科學研究院重新改造為普朗克研究院,並擔任院長直至 1960 年。在幫助祖國重新站起來的同時,他也加入鮑林與愛因斯坦等人的行列,呼籲停止核武試爆;他不斷大力奔走警告世人核武競賽對人類的威脅以及對我們這個星球的傷害,直到死前始終不懈。
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。

文章難易度
張瑞棋_96
423 篇文章 ・ 660 位粉絲
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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七十多年前轟炸日本的原子彈,直到現在都還影響著臺灣的我們
科學大抖宅_96
・2022/12/15 ・6053字 ・閱讀時間約 12 分鐘

1945年,美國分別在日本的廣島和長崎投下原子彈,造成約二十萬人死亡,也終結了第二次世界大戰。當時的臺灣,尚在日本統治之下,自然地,原子彈爆炸(原爆)的犧牲者中,也有在日本本土生活的臺灣人。然而,原子彈對臺灣的影響,並不僅止於此,也不只是促成臺灣統治權的更替而已。在那之後,原子彈的巨大威力,和對人類文明的衝擊,以多樣的形式留存於臺灣社會;直到現在,我們還是可以看見其痕跡。

其一:跨越七十多年的遺物

國立臺灣歷史博物館的收藏品,就記述著因原爆喪生的臺灣人歷史。

1921年生的新竹人蘇百齡,從新竹州立新竹中學校(今國立新竹高級中學)畢業後,前往日本就讀長崎醫科大學附屬藥學專門部,並於1942年繼續就讀長崎醫科大學。

蘇百齡就讀長崎醫科大學附屬藥學專門部時照片(照片來源:國家文化記憶庫
蘇百齡長崎醫科大學入學許可通知(照片來源:國家文化記憶庫

1945年,原本打算隔年學成回臺的蘇百齡,卻在即將畢業前夕,因為長崎原爆而身亡;一位原本大有可為的醫生,生命就這麼永遠停留於24歲。

當然,蘇百齡不是唯一因原爆犧牲的臺灣人,但要感謝其家族後人細心保存遺物,並將之捐贈,我們才得以一窺當時罹難者的部分生活面貌。

長崎警察署發放之蘇百齡死亡證明書(照片來源:國家文化記憶庫

而在喪失性命的人之外,也有一些臺灣人不但親身經歷原爆,還能對後世講述親眼所見,如出生於高雄美濃的陳新賜醫師(1914~2016),和出身嘉義的王文其醫師(1918~2015)。當時二人均在距離原爆中心僅700公尺的長崎醫科大學附屬醫院服務,雖然也在爆炸中受傷,但奇蹟似地存活下來。這段故事,由李展平撰寫成《長崎原爆:台灣醫生陳新賜.王文其歷險記》,於2012年出版。

原爆後的長崎醫科大學附屬醫院(相片來源:長崎原爆資料館

曾經參選1996年中華民國總統選舉的彭明敏(1923~2022),在長崎原爆當下也正於長崎的長兄家療養:其不久前才因為搭乘的船隻受美軍轟炸,被送往長崎醫科大學附屬醫院治療,並接受截肢手術;陳新賜醫師即為手術醫師之一。

在彭明敏所著《自由的滋味》裡,是這麼描述長崎原爆:

我在室內看報紙,聽到頭頂飛機嗡嗡之聲。突然間,有炫目的亮光,好像房裡按下巨大的鎂光燈。差不多同時,有金屬性的巨響,彷彿整個地球被一把巨大的鎚子擊中了。房子劇烈地搖動。……有些水泥建築物仍屹立著,但是,裡面所有木料和其他易燃物都在頃刻間化為烏有。

據說在學校教室內,從整齊排列的白灰燼所在可以看出在死亡瞬間正坐在書桌旁的每一個學生。熱度竟有那樣強烈。大部分的醫科學生都罹難,其中包括四位曾經慷慨輸血給我的台灣留學生。他們有用的生命被消滅,我卻仍活著,這真是悲劇的命運。

……不久這座死亡的城市散發出令人不能忍受的臭氣。善後工作,對於當事人是一種異常的考驗。……幾天之內,又有新的恐怖發生。許多生存者忽然開始由口鼻出血,毛髮脫落,不久便死亡了。

無論如何,雖然原爆說不上是臺灣人的集體經歷,但確實為日治時期的部分臺灣家族或個人,帶來難以抹滅的深刻記憶。

臺灣客籍女詩人杜潘芳格(1927~2016)為長崎原爆犧牲者著作哀悼之詩(圖片來源:文化部典藏網

其二:臺灣的原子彈部署

臺灣這塊土地跟原子彈的連結並未因第二次世界大戰的結束而終止。戰後,臺灣統治權被移交給中華民國政府,其於1949年又因為內戰失利撤退到臺灣。自此,中華民國政權和中華人民共和國政權分別位於臺灣海峽兩岸,處於敵對緊張關係。

1958年8月23日,中國人民解放軍開始隔海砲擊金門,引發第二次臺灣海峽危機,史稱八二三砲戰。在短短約一個半月的時間內,金門遭受了數十萬發的砲彈打擊。而中華人民共和國對金門的砲擊行動,斷斷續續了21年,直到1979年中華人民共和國和美國建交為止。

在這樣嚴峻的大環境下,當時仍協防臺灣的美國軍方,從1958年到1962年,於臺南機場部署了配備核彈頭的屠牛士(Matador)地對地巡弋飛彈。此外,從1960年1月到1974年7月,亦於臺南機場布置了可搭載在戰鬥機上的戰術型核彈。

根據美國於2008年解密的文件,當金門砲戰最慘烈的時候,美國軍方曾考慮在廈門投擲原子彈,以阻止中國人民解放軍的攻勢。雖然這件事沒有成真,但無論如何,在臺灣的核彈部署,讓臺灣和關島、南韓、日本沖繩並列,成為當時西太平洋的核武基地。

1959年,美國空軍第868戰術導彈中隊於臺南空軍基地試射可搭載核彈頭的屠牛士TM-61C飛彈(相片來源:wiki

其三:中華民國的原子彈研發計畫

鑑於原子彈的超凡威力,不少國家均力圖發展相關技術。暨美國之後,蘇聯於1949年首度成功試爆原子彈,英國和法國也相繼研發成功。中華人民共和國同樣是野心勃勃,並於1964年在新疆測試了第一顆原子彈。毛澤東曾表示:「不但要有更多的飛機和大炮,而且還要有原子彈。在今天的世界上,我們要不受人家欺負,就不能沒有這個東西。」

至於臺灣的中華民國政府, 自然也明白核武的重要性。1963年,當時的蔣介石總統,和以色列核武計畫之父伯格曼(Ernst David Bergmann)私下會面,表達研發核武的決心。在伯格曼的支持與建議下,1968年「新竹計畫」啟動,以清華大學為中心,重點工作項目在培養人才,並建立研發原子彈所需的相關硬體設施。只不過,包括當時國家科學委員會主委吳大猷,以及曾參與美國曼哈頓計畫的女性核物理學家吳健雄,都對臺灣發展核武表達反對意見。在各方壓力之下,蔣介石最後不得不將新竹計畫束之高閣。

1950年代末期至1960年代初期,蔣介石以茶會款待海外回國學人,右四即為吳健雄(照片來源:國家文化記憶庫

然而,臺灣的核武研發並未因此中止。蔣介石政府在吸取新竹計畫的教訓之後,規劃了以和平研究用途做包裝的「桃園計畫」。1969年,中山科學研究院正式成立,原子能委員會則與加拿大簽約,在桃園龍潭的中科院核能研究所興建重水式核子反應爐,稱為台灣研究用反應器(Taiwan Research Reactor,簡稱TRR)。

在鈾元素中,約有99.264%都是屬於鈾-238,而核能發電常用到的鈾-235只佔了0.72%。提煉出來的鈾元素,必須先經過處理,將鈾-235的濃度提升到3%~5%,才能在商業核能發電使用。如果要製造原子彈,則必須將鈾-235的濃度提高到90%以上。因為事涉敏感,鈾濃縮相關技術與活動都受到監管,非核武國家若要靠自行研發,獲得武器級的高濃縮鈾相當不容易。

基於上述原因,製造核武的替代方案,是利用以低濃縮鈾當燃料的重水反應爐;在其中,鈾-238會吸收鈾-235分裂後產出的中子,成為鈾-239,然後再衰變成鈽-239,而鈽-239也能拿來製作原子彈。這樣的方式,在技術門檻和成本上,比製造高濃縮鈾要低得多。

原子彈「胖子」在長崎市上空503公尺爆炸後所造成的蘑菇雲。該原子彈即為使用鈽-239製作。(照片來源:wiki

在1975年蔣介石去世後,桃園計畫雖仍持續進行,但此時美國抱持聯中制俄戰略,已與中華人民共和國洽談建交多年,以中華民國制衡中華人民共和國的想法也慢慢轉變,反對臺灣發展核武的態度益發明顯。在美國壓力下,臺灣的原子彈研發計畫在繼任的蔣經國總統支持下,轉以更機密的方式運作。

1973年中央社報導。已經可見美國和中華人民共和國的關係正常化正進行中。(圖片來源:國史館檔案史料文物查詢系統

到了1988年,臺灣的核武計畫已經接近成功邊緣,預估再要不了多久即可製造出原子彈。只不過,時任中科院核能研究所副所長的張憲義早已被中情局吸收,臺灣的核武發展進度一切都在美國掌握之中。1月9日,張憲義使用假護照投奔美國,對整個計畫帶來毀滅性打擊,而生命已到末期的蔣經國,也在數天後去世。沒過幾天,美國和國際原子能總署的官員,直接帶領水泥攪拌車進入中科院,將重水式核子反應爐封存,再用水泥灌入重要設施和實驗室,以確保臺灣再也無法重啟爐灶。另一方面,新上任的李登輝總統也不支持相關研究。臺灣的核武研發,戛然而止。

至於張憲義,儘管一度被通緝,但至2000年已期滿撤銷。他的行為,究竟是讓臺灣少了重要的戰略武器,還是避免了潛在的核戰呢?是功是過,只能留給後人評價。

其四:桃園的輻射外洩事件

在台灣的核武研究中斷後,核能研究所內放置的核燃料棒也被要求運回美國。然而,燃料棒護套因年久劣化,導致水氣進入並與燃料棒作用,產生氫氣。於是,從 1988 年到 1991 年間,當所內人員嘗試把燃料棒從乾式貯存槽取出時,曾多次引起氫氣爆炸,最後一次更發生火災。

遺憾的是,事件發生當下,並沒有什麼人多加留意輻射外洩的可能。要等到 1992 年,核研所從事例行偵測時,才發現事態嚴重,不但核研所排水口附近的泥土,放射性強度大幅超標,下游的土地也受到污染。這起事件是在 6 月 25 日提報原能會,所以被定名為「核研所六二五輻射汙染事件」。

因為氫氣爆炸而污染了乾式貯存場的放射性物質,據推測,很可能就是在工作人員沖水清理以及滅火的過程中,隨著水流進入集水池,再經由排水口被釋放到環境之中,也就是鄰近的大漢溪和下游的國有地。

事後,國有財產局將2.3公頃的污染區用圍籬圍住,依原能會規定將土地挖除2公尺,再覆蓋新土。在1997年清理完畢後,當地輻射已恢復到正常範圍。而挖除的一萬四千立方公尺污染土壤,則跟一萬多桶低階核廢料,和破損的數十支高階核廢料等等,一同放置於核研所。

這起臺灣有史以來最嚴重的輻射外洩事件,至今已30年,造成了多大影響難以切實評估,卻是臺灣與原子彈的連結中,無法迴避的一段過往,也是對妥善管理核廢料的安全性提醒。

其五:原子與我們同在

原子彈不只威力驚人,其對社會文化的衝擊亦不在話下。因為原子彈在第二次世界大戰中的運用,許多人才首度聽到「原子」這個詞彙。一時之間,原子一詞蔚為風尚,成了時髦的代表、新科技的代稱;許多新發明、新事物,便這麼被冠上「原子」二字,類似現代一堆有著「量子」稱號,但其實跟量子力學沾不上邊的商品。

出生於台北艋舺的著名女畫家謝招治(1929~2014),創作過一幅名為《原子燙》的畫作。她曾表示:

「以前婦女燙頭髮是用電來燙,後來臺灣光復後才用化學藥劑來燙頭髮,大家也不知道該叫什麼燙,就叫它原子燙吧!『原子』這兩個字是由日本廣島遭美國的原子彈轟炸後第一次聽到的新名詞,在當時是很時髦的形容詞,還有現在的絲襪以前也叫原子襪呢。」

謝招治《原子燙》,直幅、水彩畫,繪於1997年10月29日。(圖片來源:國家文化記憶庫

而謝招治對自己的另一幅作品《補襪》,是這麼解說的:

「玻璃絲襪在光復後才出現,是大家之前都沒見過的新玩意兒,當時常常把沒看過的東西全都加一個「原子」來叫它,所以就叫它『原子絲襪』了。這一種襪子是由船員走私進口,或有親友從國外偷偷帶回來才有的。

我的姑姑出國二十幾年,第一次由日本回臺探親的時候,雙腳套了十幾雙玻璃絲襪,回來送給親友的,我看她一雙雙的脫下來送給我們的時候,覺得很感動,又好笑。在市面上原子襪有人賣,但是價錢很貴,它是新的產品,品質很差,大家穿破了捨不得丟,就拿去給補絲襪的補一補再拿來穿的。」

謝招治《補襪》,直幅、水彩畫,繪於2005年7月(圖片來源:國家文化記憶庫

除了原子燙、原子襪這兩個現在已不怎麼使用的名詞之外,我們常會用到的「原子筆」,其名稱來由的說法之一,就是廠商把原子筆引進香港時,因為尚無中文名稱,故使用「原子」這樣有高科技意象的名詞稱之。雖然原子筆跟原子彈並沒有任何關係,但無論如何,「原子筆」從此成為臺灣人廣泛運用的詞彙,流傳至今。

總結

自1945年原子彈出現在戰場之後,其巨大的威力撼動了全世界,也震懾了人心。從此,原子彈就跟全球政經局勢和個別國家的發展野心脫離不了關係。儘管當年轟炸日本的原子彈和台灣這塊土地並沒有直接關連,但其影響力仍以各樣的方式,留存在臺灣、或臺灣人的歷史和文化裡。不論我們如何看待它,正面或負面,這些連結與時代的記憶都將不會消逝。

參考資料:

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科學大抖宅_96
36 篇文章 ・ 1184 位粉絲
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/

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【2004諾貝爾化學獎】蛋白質的分解機器
諾貝爾化學獎譯文_96
・2022/09/12 ・6710字 ・閱讀時間約 13 分鐘

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

本文轉載自諾貝爾化學獎專題系列,原文為《【2004諾貝爾化學獎】蛋白質的分解機器

  • 譯者/蔡蘊明|台大化學系名譽教授

譯者前言:今年的諾貝爾化學獎又落入了生化學家的口袋,連續兩年頒給生化學者並不常見,我想這應該是反映了現在化學研究的熱門趨勢。今年的諾貝爾化學獎讓我們注意到細胞是如何精妙的去控制它的蛋白質系統,昨日(十月六日)我在中研院生醫所聽了一場 2002 年諾貝爾生理及藥學獎的得主 H. Robert Horvitz 的演講,那是另一個熱門的題目:細胞凋亡,真是一場精采的演講,同樣的我們看到這些蛋白質的另一種運作。前幾日與一位生技系的學生聊到他未來想走的方向,言談之間他似乎認為蛋白質的化學已經熱門了好一陣子了,恐怕熱潮已過。不過從現實來看,在諾大的生命體系中,我們對它的瞭解實在是太少了,由這些蛋白質的研究看來,我覺得蛋白質的化學仍應是方興未艾吧!

後記:  詹健偉是我在 2003 年教過的學生,他原在植微系,後來轉入了生化科技系,從起初對生物系統的興趣加上對化學的熱愛導致他轉入生化科技的領域,然而這些年他逐漸的體認:「只有化學才能完美的解釋生物體系」,現在他已經決定投入“化學生物學”的領域。健偉是個認真的學生,他讀我的翻譯文章極為仔細,更進一步的從一個學生化的背景看出我許多翻譯的謬誤以及不通順之處。約莫半年前碰到他,他主動的提及願意幫我修改,一直到最近才讓我如願。有學生如此,是我的福分,感謝健偉也祝福他!

— 蔡蘊明 謹誌於 2006 年 10 月 9 日

一個人的細胞中含有上百萬種的不同蛋白質,它們具有無數的重要功能:例如以酵素(或稱為酶)的型式存在的化學反應加速者,以荷爾蒙的型式存在的訊息傳導物質,在免疫的防禦上扮演要角以及負責細胞的型態和結構。今年的諾貝爾化學獎得主:席嘉諾佛(Aaron Ciechanover)、赫西柯(Avram Hershko)以及羅斯(Irwin Rose)研究在細胞中如何對一些不需要的蛋白質加上一種稱為泛素(ubiquitin)的多胜肽標籤,藉以調節某些蛋白質的存在,他們的研究在化學知識上有重要的突破。這些被加上標籤的蛋白質,接著會在一個稱為蛋白解體(proteasome)的細胞"垃圾處理機"中迅速的降解。

透過他們發現的這個蛋白質調節系統,這三位學者使得我們能在分子的層次瞭解細胞如何的控制許多重要的生化程序,例如細胞週期、DNA 的修補、基因的轉錄以及新合成之蛋白質的品質管制。有關這種形式之蛋白質凋亡控制的新知識也使得我們能解釋免疫防禦系統如何的運作,這個系統的缺陷可造成包括癌症在內的不同疾病。

被貼上毀滅標籤的蛋白質

分解是否需要能量?

當大部分的注意力和研究都集中在企圖瞭解細胞如何的控制某些蛋白質的合成時(這方面的研究產生了五個諾貝爾獎),與其相反的蛋白質降解則一直被視為是較不重要的。其實有一些簡單的蛋白質降解酶是早就知道的,一個例子就是胰蛋白酶(trypsin),這是一個存在於小腸中,將食物中的蛋白質分解為胺基酸的一種酵素。類似的,有一種稱為溶體(lysosome)的細胞胞器也早就被研究過,它的功能是把由細胞外吸入的蛋白質降解。這些降解程序的共通性在於這些功能不需要能量。

不過早在 1950 年代的實驗就顯示要分解細胞本身所具有的蛋白質是需要能量的,這個現象一直困擾著研究者,這個矛盾也就是今年的諾貝爾化學獎的背景:亦即細胞內蛋白質的分解需要能量,但是其它蛋白質的分解卻不需要額外的能量。解釋這個需要能量的蛋白質分解過程是由 Goldberg 與其研究夥伴在 1977 年踏出了第一步,他們從一種稱為網狀紅血球(reticulocyte)之未成熟的紅血球,製造出一個不含細胞的萃取物,倚賴ATP(ATP = adenosine triphosphate;是一種細胞的能量貨幣)的能量,這種物質可以催化不正常蛋白質的分解。

運用這個萃取物,今年的三位諾貝爾化學獎得主在 1970 年代後期及 1980 年代初,透過一系列劃時代的生化研究,成功的顯示在細胞中的蛋白質分解,是透過一系列一步步的反應,導致要被摧毀的蛋白質被掛上一個稱為泛素(ubiquitin)的多胜肽標籤。這個過程使得細胞可以非常高的專一性分解不需要的蛋白質,而且就是這一個調控的過程需要能量。與可逆的蛋白質修飾例如磷酸化(1992 年的諾貝爾生理醫學獎)不同之處是:被聚泛素化(polyubiquitination)調控的反應,常是不可逆的,因為被掛上標籤的蛋白質最後被摧毀了。大部分的這些工作是在以色列 Haifa 大學的赫西柯以及席嘉諾佛在休假年,於美國費城的 Fox Chase 癌症中心的羅斯博士的實驗室所完成的。

泛素的標籤

這個後來被發現用在需要分解掉的蛋白質上所貼的標籤,早在 1975 年就從小牛胸腺中被分離出來,它是一個由 76 個胺基酸所組成的多肽,該分子被認為參與在白血球的成熟過程中,其後由於這個化學分子在各種不同的組織和生物體中(細菌除外)亦被發現,因此被賦予了泛素(ubiquitin)的名稱(ubique在希臘文中有到處或廣泛的意思)(圖一)。

(圖一)泛素:一個共通的多胜肽代表"死亡之吻"

發現由泛素所媒介的蛋白質分解

在赫西柯取得博士學位之後,研究了一陣子肝細胞中倚賴能量的蛋白質分解,不過在 1977 年決定改為研究上述的網狀紅血球萃取物,這個萃取物含有大量的血紅素,嚴重的影響實驗,在企圖利用層析法來去除血紅素時,席嘉諾佛以及赫西柯發現這個萃取物可被分成兩個部分,二者個別都沒有生化活性,但是他們發現一旦二者混合在一起,那個倚賴 ATP 的蛋白質分解活性就恢復了。在 1978 年他們發表了其中一個部分中的具活性物質,是一個對熱穩定的多肽,分子量只有 9000,他們稱之為 APF-1,這個物質後來證實為泛素。

席嘉諾佛,赫西柯,與羅斯在 1980 年發表了兩份決定性的突破工作,在這之前 APF-1 的功能是完全不清楚的。這頭一份報告顯示 APF-1 是以共價鍵(就是一種很穩定的化學鍵結)與萃取物中的各種不同蛋白質結合。在第二部份的報告更進一步的顯示有許多個 APF-1 鍵結在同一個目標蛋白上,此一現象被稱為聚泛素化(polyubiquitination)。我們現在知道這個將目標蛋白質多次泛素化的步驟,是一個導致蛋白質在蛋白解體(proteasome)中降解的啟動信號;也就是這個聚泛素化反應,在蛋白質貼上降解的標籤,或可稱其為"死亡之吻"。

就這麼一擊,這些完全未預期的發現,改變了其後的研究方向:現在就可以集中力量開始鑑定那些將泛素接上蛋白質標靶的酵素系統。由於泛素普遍的存在於各種不同的組織和生物體中,大家很快的體認到,由泛素所媒介的蛋白質分解對細胞一定是很普遍而重要的。研究者更進一步的推測,那個倚賴 ATP 的能量需求,可能是為了讓細胞控制這個程序的專一性。

這個研究領域就此大開,而在 1981 到 1983 年間,席嘉諾佛,赫西柯,羅斯與他們的博士後研究員及研究生發展了一套“多重步驟泛素標籤化假說”,這個假說是基於三個新發現之酵素的活性,他們稱這三個酵素為 E1、E2與E3(圖二)。我們現在知道一個尋常的哺乳類細胞含有一個或數個不同的 E1 酵素,大約幾十個 E2 酵素,以及幾百個不同的 E3 酵素,就是這個 E3 酵素的專一性,決定了在細胞中要為哪些蛋白質貼上標籤,然後在垃圾處理機中摧毀。

到這個節骨眼為止,所有的研究都是在沒有細胞的系統中進行的,為了也能夠研究泛素所媒介的蛋白質降解之生理功能,赫西柯與其協同工作人員發展了一種免疫化學方法:用數種放射性胺基酸,以瞬間脈衝的方式來培養細胞,可標定細胞內某一個瞬間所合成的蛋白質。但是泛素中剛好沒有這幾種胺基酸,所以在這瞬間合成的泛素並未被放射性標記。利用泛素的抗體,可以將 "泛素-蛋白質"複合體自該細胞中分離出來,而其中的蛋白質的確具有放射性標記。實驗結果顯示,細胞中也確實以泛素系統來分解有缺陷的蛋白。我們現在知道細胞中大約 30% 的新合成蛋白質都會被垃圾處理機分解,因為它們沒有通過細胞的嚴格品質管制。

(圖二)泛素所媒介的蛋白質降解
  1. E1 酵素活化泛素分子,這個步驟需要 ATP 形式的能量。
  2. 泛素分子被轉移到另一個不同的酵素 E2。
  3. E3 酵素可辨認需要摧毀的目標蛋白質,"E2-泛素"複合物和"E3酵素"結合的位置,非常接近目標蛋白質。這個非常接近的距離,使得泛素標籤足以被轉移到目標蛋白上。
  4. E3 酵素釋放出具有泛素標記的蛋白質。
  5. 最後一步重複數次直到一個由泛素分子構成的的短鏈接在目標蛋白質上。
  6. 這個泛素的短鏈在垃圾處理機的開口處被辨識後,泛素標籤脫落而蛋白質被允許進入並被切成碎片。

蛋白解體-細胞的垃圾處理機

什麼是蛋白解體?一個人類細胞含有約 30,000 個蛋白解體,這個桶狀的結構體可以基本上將所有的蛋白質分解為七到九個胺基酸長短的胜肽,蛋白解體的活性表面是位於桶的內璧,也就是與細胞的其它部份是分隔開來的,唯一能進入蛋白解體的桶中活性表面的方式是必須透過"鎖",鎖能夠辨認接有多個泛素構成的短鏈之蛋白質,藉由 ATP 的能量將蛋白質變性(denature),並在泛素構成的短鏈移除後允許蛋白質進入,並將之降解,降解出來的胜肽由蛋白解體的另外一端釋放出來。因此蛋白解體本身並不能挑選蛋白質,決定哪一些蛋白質需要貼上銷毀的標籤,是 E3 酵素的工作。(圖三)

(圖三)細胞的垃圾處理機。黑點代表具有蛋白質分解活性的表面。

最近的研究

當貼上泛素標籤的蛋白質分解過程背後的生化機制在 1983 年被暴露後,它在生理學上的重要性尚未能完全掌握,雖然知道它在銷毀細胞內具有缺陷的蛋白質上是非常重要的,但是再進一步的,就需要一個突變的細胞來研究泛素的系統,藉著仔細的研究一個突變的細胞與正常的細胞在不同的生長條件下有何不同,希望知道細胞中有哪些反應是與泛素的系統有關,這才能得到更清晰的概念。

一個突變的老鼠細胞在 1980 年由一個東京的研究小組分離出來,他們的突變老鼠細胞含有一個因為突變之故而對溫度非常敏感的蛋白質。在較低溫度時它能發揮應有的功能,但是在高溫時則否,因此在高溫時培養的細胞會停止生長。此外,在高溫時它們顯示其 DNA 的合成會有缺陷以及一些其它的錯誤功能。一群在波士頓的研究人員很快的發現這個突變鼠細胞中對熱敏感的蛋白質是泛素活化酵素 E1,顯然泛素的活化對細胞的運作及複製是不可或缺的,正常蛋白質分解控管不僅對細胞中不正確蛋白質的銷毀很重要,也可能參與了細胞週期、DNA 的複製以及染色體結構的控管。

從 1980 年代末期開始,研究者鑑定出許多生理上很重要的基質是泛素所媒介的蛋白質分解機制中的標靶,在此我們僅提幾個最重要的為例子。

避免植物的自我授粉

大部份的植物是兩性或雌雄同株的,自我授粉將會導致基因多樣性的逐漸喪失,長期而言將造成該物種的完全絕滅,因此為了避免這個情形,植物利用泛素所媒介的蛋白質分解機制來排除"自身"的花粉,雖然完整的機制尚未明朗,但是已知 E3 酵素參與了運作,而且當加入蛋白解體的抑制劑時,排除自身花粉的能力就被削弱。

(圖四)細胞週期中控制染色體分離的機制:剪刀代表分解蛋白質的酵素而綁住剪刀的繩子代表它的抑制劑,APC 將這條繩子貼上標籤造成繩子的分解,剪刀就會釋放出來,接著將那條綁在染色體周圍的繩子切斷,最後造成染色體分離。

細胞週期的控制

當一個細胞要複製自己的時候會有許多的化學反應參與其中,在人體中的 DNA 有六十億個鹼基對必須複製,它們聚集成必須拷貝的 23 對染色體。普通的細胞分裂(也就是有絲分裂),形成生殖細胞(減數分裂),都與今年的諾貝爾化學獎的研究領域有許多交集。在此運作的 E3 酵素稱為"有絲分裂後期促進複合體"(anaphase-promoting complex簡稱 APC),其功能在檢查細胞是否離開了有絲分裂期,這個酵素複合體也被發現在有絲分裂及減數分裂過程中,對染色體的分離扮演了重要的角色。有一個不同的蛋白質複合體,它的功能就好像是一條綁在染色體周圍的繩子,將一對染色體綁在一起(圖四)。在一個特定的訊號出現後,APC 會在一個"降解蛋白質酵素"的抑制劑上貼上標籤,因此這個抑制劑就會被帶到蛋白解體中分解掉,而前述的那個降解蛋白質的酵素就會被釋放出來,在經過活化後將那條綁在染色體周圍的繩子切斷,一但繩子脫落,那一對染色體就會分離。在減數分裂時,錯誤的染色體分裂,是造成孕婦自然流產最常見的原因;一條多出來的人類第 21 號染色體會導致唐氏症;大部份的惡性腫瘤會具有數目改變的染色體,其原因也是由於有絲分裂時錯誤的染色體分裂。

DNA 的修補,癌症以及細胞凋亡

蛋白質 p53 被封為"基因體的守護神",它也是一個腫瘤抑制基因(tumor-suppressor gene),這個意思是只要細胞能製造 p53 就可以阻擋癌症的發生。可以非常確定的,在所有人類癌症中有至少一半的蛋白質是突變的。在一個正常細胞中,蛋白質 p53 一直不斷的被製造和分解,因此其數量是很低的,而它的分解是透過泛素標籤化過程以及負責與 p53 形成複合體的相關 E3 酵素來調控;當 DNA 受到損傷後,蛋白質 p53 會被磷酸化而無法與 E3 酵素結合,p53 的分解無法進行,因此細胞內的 p53 數量迅速增高。蛋白質 p53 的功能是作為一個轉錄因子(transcription factor),換言之就是一個調控某些基因表現的蛋白質。蛋白質 p53 會與控制 DNA 修補以及細胞凋亡的基因結合,並調控該基因,當它的數量升高時會影響細胞週期藉以保留時間給 DNA 修補的運作,倘若這個 DNA 的損傷過於嚴重,計劃性細胞凋亡將會啟動而導致細胞的"自殺"。

人類乳突病毒的感染與子宮頸癌的發生有極大的關聯性,這個病毒避開了 p53 所控制的關卡,它的方法是透過它的蛋白質去活化並改變某一個 E3 酵素(稱為 E6-AP)的辨識行為,E6-AP 被騙去將蛋白質 p53 貼上死亡的標籤而造成 p53 的消失,這個後果是被感染的細胞無法正常的修補其 DNA 所受到的傷害或者引起計劃性細胞凋亡,DNA 突變的數目增加最後終於導致癌症的發生。

免疫與發炎反應

有某一個轉錄因子調控著細胞中許多與免疫防禦及發炎反應有關的重要基因,這個蛋白質,亦即這個轉錄因子,在細胞質中是與一個抑制蛋白質結合在一起的,在這個結合的狀態下,此一轉錄因子是沒有活性的。當細胞暴露到病毒時或有其它的訊號物質出現時,這個抑制蛋白質就會被磷酸化,接著被貼上銷毀的標籤而送到蛋白解體中分解掉,此時被釋放出來的轉錄因子被運送到細胞核中,在那裡它與某些特定的基因結合,進而啟動這些基因的表現。

免疫防禦系統中,被病毒感染的細胞,會利用泛素-蛋白解體系統,將病毒蛋白質降解到適當大小的多肽,這些多肽會被呈獻到細胞的表面。T 淋巴細胞會辨識這些多肽然後攻擊這些細胞,這是我們的免疫系統對抗病毒感染的一項重要防禦方式。

纖維囊腫症(cystic fibrosis)

一個稱為纖維囊腫症的遺傳疾病,簡稱 CF,是由一種不具功能的細胞膜氯離子通道(稱為 CFTR;纖維囊腫跨膜通道傳導調節蛋白)所造成。大部份的纖維囊腫病患都具有一個相同的基因損傷,也就是一個在 CFTR 蛋白質上缺少了一個苯丙胺酸的胺基酸。這個突變導致了這個蛋白質的錯誤摺疊結構,使得該錯誤摺疊蛋白被保留在細胞的蛋白質品管系統中,這個品管系統要確實的將此一錯誤摺疊的蛋白質透過泛素-蛋白解體系統銷毀,而不能將之傳送到細胞膜上,一個沒有正常氯離子通道的細胞將無法透過細胞膜傳送氯離子,這就影響到肺部以及一些其它組織的分泌系統,造成肺黏膜液的增加而破壞其功能,更大幅的增加其受到感染的危險性。

這個泛素系統已經成為一個很有趣的研究領域,可用來發展治療各種疾病的藥物,在此的工作方向可以利用泛素所媒介的蛋白質分解機制去避免某些特定蛋白質的分解,也可以設計成讓這個系統將某一個不想要的蛋白質清除。已經有一個在進行臨床實驗的藥,那是一個稱為 Velcade(PS341)的蛋白解體抑制劑,可以用來醫治多重性骨髓瘤(multiple myeloma),這是一種會影響體內製造抗原的細胞的一種癌症。

今年的得獎者從分子的基礎上解釋了一個對高等細胞而言極為重要的蛋白質控制系統,由泛素所媒介的蛋白質分解機制所控制的細胞功能,現在一直不斷的有新的發現,而這方面的研究也在世界各地無數的實驗室中進行著。

參考資料

這份文章是譯自諾貝爾獎委員會公佈給大眾的閱讀資料:

http://nobelprize.org/chemistry/laureates/2004/public.html

有意進一步的瞭解就得詳讀以下資訊:

http://nobelprize.org/chemistry/laureates/2004/adv.html

原文附有一個很精采的動畫,對這個蛋白質控制系統有畫龍點睛之妙,推薦各位看看:

http://nobelprize.org/chemistry/laureates/2004/animation.html

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諾貝爾化學獎譯文_96
15 篇文章 ・ 20 位粉絲
「諾貝爾化學獎專題」系列文章,為臺大化學系名譽教授蔡蘊明等譯者,依諾貝爾化學獎委員會的新聞稿編譯而成。泛科學獲得蔡蘊明老師授權,將多年來的編譯文章收錄於此。 原文請參見:諾貝爾化學獎專題系列

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思考別人沒有想到的東西——誰發現量子力學?
賴昭正_96
・2022/06/01 ・4633字 ・閱讀時間約 9 分鐘

  • 文/賴昭正 前清大化學系教授、系主任、所長;合創科學月刊

發現就是看到別人都看到的東西,但思考別人沒有想到的東西。

-Albert Szent-Györgyi,1937年諾貝爾醫學獎

在「黑體輻射光譜與量子革命」(科學月刊,2022 年)一文裡,筆者提到了普朗克如何於 1900 年 10 月 19 日靠猜測幸運地導出了符合實驗的黑體輻射光譜分佈公式;然後花了約兩個月的時間找出了可以解釋那猜測的背後物理,於 1900 年 12 月 14 日的德國物理學會會議上提出了電偶極振盪子能量(ε)量化 ε =h 為普朗克常數,ν 為振動頻率)的背後物理。因此 1900 年 12 月 14 日被公訂為「量子理論的誕生日」。

但如果良馬沒有遇到伯樂,它會是一匹良駒嗎?

普朗克:「量子假設永遠不會從世界上消失」

Max Karl Ernst Ludwig Planck,1858 年 4 月 23 日- 1947 年 10 月 4 日。圖/Wikipedia

普朗克雖然找到了物理的答案,解決了他的「幸運猜測」;但那個物理卻是非常奇怪:

  1. 輻射的能量怎麼跟頻率有關呢?在古典物理裡,輻射能量只與強度有關。
  2. 任何頻率的輻射能都應該是連續的(即任何能量值都可能),怎麼是量子化的、不連續的?普朗克長期以來一直認為這只是一種數學假設或方便而已,與實際的物理無關。

在他看來,沒有理由懷疑古典力學和電磁力學定律的崩潰。普朗克不認為他的理論與古典物理學大相逕庭,因此他在 1901 年到 1906 年間,根本沒有發表任何關於黑體輻射或量子理論的文章。

1905 年,愛因斯坦提出了支持能量量化的光量子理論(見後);但 1913 年,當普朗克推荐愛因斯坦為普魯士皇家科學院士時,卻謂光量子是過分越矩的大膽假設。1914 年,普朗克本人在向柏林大學推薦愛因斯坦任教時,也做了類似的評語(儘管愛因斯坦的光量子理論構思不周,還是希望他的同事們接受愛因斯坦)。

所以普朗克真的是發現量子力學嗎? 歷史學家和科學哲學家庫恩(Thomas Kuhn)指出:普朗克在 1900 年和 1901 年的論文中沒有一處清楚地寫道:單個振盪器的能量只能根據 ε =n獲得或耗散能量(n 是整數)。

如果這確是他的意思,他為什麼不這麼說? 如果他意識到他已經引入了能量量子化的奇怪新概念,為什麼他在四年多的時間裡一直保持著沉默? 此外,在他 1906 年的熱輻射理論講座中,普朗克還是只闡述傳統的能量連續理論,沒有提到任何電偶極振盪子能量量化的可能性。

如果普朗克早在 1900 年就如他後來聲稱那樣地「看到了曙光」,是什麼讓他在六年後改變了主意?答案應該是他 1900 年時沒看到了曙光吧?!所以庫恩認為普朗克不值得稱為發現量子力學之先驅。

無可否認地,當然也有不同意庫恩看法的科學家。事實上,普朗克也曾「確信」過量子理論標誌著物理學史新篇章的開始;例如他在 1911 年的一次演講中就自豪地宣稱「量子假設永遠不會從世界上消失」,有朝一日,這一理論注定會以新的光芒迅速地滲透到分子世界中。但那可能只是曇花一現,在他的內心裡可能還在懷疑著能量量化的真實性,否則他怎麼不支持愛因斯坦的光量子理論呢?儘管如此,諾貝爾獎委員會還是因他「發現能量量子」,於 1918 年頒發了物理獎給普朗克。

愛因斯坦是真正的「能量子不連續性的發現者」

Albert Einstein,1879 年 3 月 14 日- 1955 年 4 月 18 日。圖/Wikipedia

如果普朗克在 1900 年沒有提出能量量子假說,那是誰先提出的?1877 年,波茲曼(Ludwig Boltzmann)雖然在其統計熱力學裡使用能量量化的概念來計算物理態的分佈,但那只是為了數學處理上的方便而已。事實上,當普朗克還一直在努力地想使他的量子解釋能容於古典力學時,愛因斯坦卻馬不停蹄地在開發量子力學,所以真正認識到量子理論本質的人應該是愛因斯坦——年輕的愛因斯坦顯然比普朗克看得更深。

1905 年,愛因斯坦已認識到量子不連續性是普朗克黑體輻射理論的重要組成部分:

比較維恩體系中的輻射與古典不相互作用之點粒子氣體的熵(entropy)後,愛因斯坦提出了光量子的假設,謂「就其熵的體積依賴性而言,如果單色輻射的行為與由許多獨立之 能量子組成的介質相似,則值得研究光的產生和轉換規律是否意味著光本身就是個能量子(energy quanta)」。

基於這種「啟發式原理」,愛因斯坦提出光電效應:光量子(light quantum)將其全部能量提供給單個電子;謂用這一原理導出的方程式可以解釋連納德(Phillip Lenard, 1905 年諾貝爾物理獎得主)1902 年的觀察結果,即被光打出來的電子能量與光的強度無關。所以嚴格說來,愛因斯坦才是真正的「能量子不連續性的發現者」。17 年後,愛因斯坦終因「光量子」的主要貢獻,而獲得 1921 年諾貝爾物理獎(泛科學 07/28/2021)。

在古典統計熱力學裡,有一稱為「能量均分原理(equipartition principle)」謂:在達到熱平衡時,物理體系內的任何一個自由度均應具有 kT/2 熱能。依照這個原理,晶體因原子在晶格的振動,其熱能應該是每個原子具有 3kT(每個震動有兩個自由度、三個方向,故總共有六個自由度),所以晶體的比熱是每個原子 3k(Dulong-Petit 定律)。

這一古典理論所推測出來的結果在高溫時與實驗相符;但在低溫時,實驗發現晶體的比熱趨近於零。1907 年,愛因斯坦假設晶格具有單一的振動頻率 v,因為量化的關係,其能量只能有 nhv(n 為整數)值,然後透過馬克斯威-波茲曼統計分佈求得每個振動的平均能量,對溫度微分而得到低溫時趨近於零的晶體比熱!晶體的振動實際上當然比愛因斯坦的模型複雜多了;1912 年,迪拜(Peter Debye)做了改進得到符合(非金屬固體之)實驗的結果。愛因斯坦的此一比熱理論是推動量子理論成為物理學主流的一個重要旅程碑。 

迪拜、愛因斯坦分別對於熱容與溫度之間關係的預測,在高溫時趨於 3Nk (每個原子每個方向k)的實驗值。圖/Wikipedia

第一次的索爾維會議

索爾維(Ernest Solvay, 1838-1922)是比利時化學工程師,發明了一種製造蘇打(碳酸氫鈉)的工藝而積累了大量財富,慷慨捐贈大學,並在布魯塞爾創立了索爾維醫學和社會學研究所(Solvay Institute)。索爾維的課外嗜好是物理,認為自己發現了一種關於重力如何影響「物質和能量構成」的理論。

雖然這是一個瘋狂的理論,但「錢多學問大」,他不接受否定的答案。當索爾維向柏林大學名化學家能斯特(Walther Nernst)詢問如何傳播他關於引力的想法時,能斯特看到了一個幫物理學發展的好機會。

他狡猾地向索爾維建議資助一個探討物理學最新發展的會議:索爾維可以在會議開始時向聚集在場的最優秀物理學家講授他的瘋狂理論,然後讓物理學家開始自由地進行自己的討論。

索爾維接受了能斯特的建議,於 1911 年 10 月下旬,邀請了來自歐洲各地的 18 位頂尖科學家,在布魯塞爾舉行了第一次會議。這就是物理界名聞遐邇的「索爾維會議(Solvay Conference)」,每隔三年舉行一次,雖然一直持續到今天,但已經不再那麼獨特和奢華了。

1911 年第一次索爾維會議的照片。圖/Wikipedia

第一次索爾維會議由比利時理論物理學大師洛倫茲(Handrik Lorentz)主持,被認為是物理學界的一個轉折點[註]。那次會議的成員包括普朗克、居里夫人、盧瑟福(Ernest Rutherford )、龐加萊(Henri Poincaré)、及愛因斯坦等人,主題是輻射理論和量子,探討了古典物理學和量子理論兩種方法的問題。

儘管愛因斯坦謂該次會議「沒有任何積極的結果」,但是可以看到歐洲最著名的科學家在量子革命中的不同態度。愛因斯坦顯然最清楚當時物理學基礎已經開始動搖之危機的深刻本質,因此雖發表了題為「比熱問題的現狀」的最後演講,但卻將主題置於量子問題上,引發了一系列-特別是來自洛倫茲、普朗克、龐加萊等人-的挑戰。愛因斯坦謂普朗克在會中「頑固地堅持一些毫無疑問是錯誤的先入之見」。

波思「發現」量子統計力學

সত্যেন্দ্র নাথ বসুSatyendra Nath Bose),1894 年 1 月 1 日-1974 年 2 月 4 日。圖/Wikipedia

在「量子統計的先鋒——波思」(科學月刊,1971 年 4 月號)一文裡,筆者提到了 1924 年 6 月 4 日,一位任教於東巴基斯坦的講師波思(Satyendra Bose)寄了一篇被英國名物理雜誌退稿、題為「普朗克定律及光量子的假設」的 1500 字論文給愛因斯坦,附函謂「如果你認為它值得發表,可否請您將它譯出,投稿到 Zeitschrift für Physik 。」。

愛因斯坦不但親自將該篇英文論文譯成德文,於七月初以波思的名義投稿至該雜誌,並於文後註曰:「依我看來,波思推導普朗克公式的方法為一重要里程碑。該法亦可用來推演理想氣體的量子論;不久我將發表其詳細結果。」。

在該論文中,波思做了一個誤打誤撞、連他自己本人都不知道、在整篇論文中隻字未提的重要及創新性假設:光量子是不可分辨的!在古典力學裡,物理學家認為銅板是可以分辨的,因此兩個銅板出現「一正及一反」的或然率是 2/4;但如果它們不能分辨呢?則出現「一正及一反」的或然率將變成 1/3。沒想到這一「錯誤」的假設後來竟成為打開量子統計力學的鑰匙!

如果我們說普朗克「發現」量子力學,我們不是也應該說波思「發現」量子統計力學嗎?可是波思沒有普朗克幸運,未受到諾貝爾物理獎會員們的青睞!他只自嘲地說:「我已得到我所應得的名聲了。」現在物理學家稱自旋為整數的基本粒子為波思子(boson),它們所需要服從的統計力學為「波思-愛因斯坦統計」(Bose–Einstein statistics)。

結論

普朗克與波思的發現印證了前者的名言:「科學發現和科學知識只有在沒有任何實際目的的情況下追求它的人才能獲得」。但兩人似乎都沒想到他們發現了新的東西,並未思考著別人沒有想到的,只是覺得那樣做可以正確地導出黑體輻射光譜分佈及普朗克定律而已。

是誰首先思考別人沒有想到的問題呢?如果說「發現就是看到別人都看到的東西,但思考別人沒有想到的東西」,那麼發現量子力學及量子統計力學的應該是愛因斯坦了-是他思考著別人沒有想到的東西,開闢了新物理領域。

讀者認為呢?

註解

另一影響物理學發展深遠的是 1927 年舉行的第五次索爾維會議。該會議也是由比利時理論物理學大師洛倫茲主持,主題是「電子和光子」,與會的科學家熱烈地討論了新興的量子理論基礎。出席的 29 位科學家中當然少不了愛因斯坦及普朗克,其中一半以上是或將要成為諾貝爾獎得主。

延伸閱讀

賴昭正:《我愛科學》(華騰文化有限公司,2017 年 12 月出版):裡面收集了:「太陽能與光電效應」(科學月刊 2011 年 12 月號)、「量子統計的先鋒——波思」(科學月刊,1971 年 4 月號)、「量子力學的開山祖師-普朗克」(科學月刊 1982 年 2 月號)。

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賴昭正_96
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成功大學化學工程系學士,芝加哥大學化學物理博士。在芝大時與一群留學生合創「科學月刊」。一直想回國貢獻所學,因此畢業後不久即回清大化學系任教。自認平易近人,但教學嚴謹,因此穫有「賴大刀」之惡名!於1982年時當選爲 清大化學系新一代的年青首任系主任兼所長;但壯志難酬,兩年後即辭職到美留浪。晚期曾回台蓋工廠及創業,均應「水土不服」而鎩羽而歸。正式退休後,除了開始又爲科學月刊寫文章外,全職帶小孫女(半歲起);現已成七歲之小孫女的BFF(2015)。首先接觸到泛科學是因爲科學月刊將我的一篇文章「愛因斯坦的最大的錯誤一宇宙論常數」推薦到泛科學重登。