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思想實驗 EPR悖論與匪夷所思量子纏結│科學史上的今天:5/15

張瑞棋_96
・2015/05/15 ・1275字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 578 ・九年級

1935 年,愛因斯坦在普林斯頓的辦公室內望著窗外的天空。他還是不信上帝會玩骰子。其實他也不相信有宗教裏面那種會干涉人類命運的上帝,他所指的是支配著宇宙萬物如何運轉的優雅法則。

雖然愛因斯坦自己就是量子力學的開創者之一,但是打從他的好友玻恩(Max Born)於 1926 年用機率來詮釋薛丁格的波動方程式後, 他就與量子力學漸行漸遠了。尤其第二年海森堡提出不確定性原理,主張沒有所謂的客觀實在,只有觀測所得的結果──這所謂的「哥本哈根詮釋」更完全違背他的信念,難道月亮只有當你看它的時候才存在?!

他與他們的精神領袖波耳多次辯論,但波耳總是能成功擋下他每次的攻擊。將近十年過去,隨著量子力學日漸堅實,越來越多物理學家加入他們的陣營,但他仍堅守立場,而今他終於找出不確定性原理的漏洞了!

1935 年的今天,愛因斯坦與波多斯基(Boris Podolsky)、羅森(Nathan Rosen)三人共同發表一篇論文〈物理實在的量子力學描述能被視為完備的嗎?〉。這個後來以他們三人姓氏開頭字母簡稱的「EPR悖論」設想了一個思想實驗:

A、B 兩個粒子交互作用後彼此遠離。

雖然不確定性原理指出:位置越精確則動量越不確定,反之亦然。但我們可以只測量 A 粒子的動量,而根據守恆定律推算出 B 粒子的動量;同時我們只測量 B 粒子的位置,也可得知 A 粒子的位置。如此一來,我們就可以同時知道兩個粒子的動量與位置,但量子力學卻無法同時表述出這兩個物理量的值,可見它並不完備。

薛丁格讀了這篇論文後,深表同意,並用「量子纏結」這個名詞稱呼這兩個產生交互作用的粒子,指出其荒謬之處:若按照哥本哈根詮釋,測量A粒子才讓它從各種可能性的「疊加態」崩陷為某一特定狀態;而在此瞬間,B粒子也會從疊加態崩陷為與A互補的狀態。假設我們等這兩個粒子相距甚遠才測量,那麼測量仍在地球的 A 粒子竟會瞬間影響已經遠在冥王星的 B 粒子,豈非違反了狹義相對論已經證明的「光速是無法超越的極限」?!愛因斯坦聞之也附和嘲笑這根本是「鬼魅的超距作用」

然而量子世界中似乎真的存在超距作用。愛因斯坦過世十年後,愛爾蘭物理學家貝爾(John S. Bell)於 1964 年提出檢驗量子纏結是否存在的實驗方法。等到一九八○年代技術成熟以後,許多實驗的統計結果都違反了「貝爾不等式」,代表量子纏結的確成立。

愛因斯坦為了駁斥不確定性原理而提出 EPR 悖論,沒想到反而開啟一連串研究,證實了更匪夷所思的量子纏結現象。或許正如波耳所說的:

「如果你沒對量子力學深感震驚的話,表示你還沒瞭解它。」

 

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張瑞棋_96
423 篇文章 ・ 353 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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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
15 篇文章 ・ 12 位粉絲
《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》