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開創了量子電動力學──狄拉克誕辰│科學史上的今天:8/8

張瑞棋_96
・2015/08/08 ・1287字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 557 ・八年級
Photo Credit: Science Museum London @ flickr license

1921 年,電機系畢業的狄拉克(Paul Dirac, 1902-1984)原本打算順理成章當個工程師,無奈英國經濟尚未自戰後復甦,竟找不到工作。他權衡之下乾脆回校再讀數學系,既不用學費,還有機會拿獎學金。兩年後他順利取得學位,也用獎學金再到劍橋大學攻讀物理。這一讀,竟加速了量子力學的進展。

原本鍾情於相對論的狄拉克在老師建議下接觸剛萌芽的量子力學,他很快就看出海森堡的矩陣力學與薛丁格的波動方程式實為一體之兩面。1928年更進一步將薛丁格方程式結合狹義相對論,提出影響深遠的狄拉克方程式,開創了量子電動力學,為量子力學奠定重要的基礎。他並根據方程式預言反物質的存在,後來安德森果然於 1932 年發現電子的反物質──正子,第二年,年僅 31 歲的狄拉克因此與薛丁格共同獲頒諾貝爾物理獎。

狄拉克雖然年紀輕輕就綻放光芒,他本人卻一直相當低調內斂。例如他原本打算拒領諾貝爾獎以免成為眾人目光焦點,直到拉塞福勸誡他若如此做會更出名,才打消原意。波耳曾形容狄拉克在所有的物理學家中「擁有最純淨的靈魂」;除了他生活簡樸,毫不重視物質享受,也因為他始終堅持科學的準確與美感。狄拉克的堅持甚至已經內化到一種渾然天成的執拗,以致傳出許多有趣的軼事……。

有一次狄拉克演講完後讓聽眾提問,一人舉手說:「我不懂黑板右上方那條方程式。」狄拉克卻一語不發的看著他超過一分鐘。主持人為了打破尷尬,問狄拉克是否回答一下那人的問題,只見狄拉克搖搖頭說:「那並不是個問題,那只是評語。」

狄拉克到普林斯頓當訪問學者時接受了記者採訪,他擔心報社不等他寄回校稿就逕行刊出訪談內容,於是到隔壁研究室問兩位同事該怎麼辦。其中一位建議他先發函給報社要求「不得以任何形式發表」,狄拉克卻沉默以對,經過一段時間頗久的大眼瞪小眼,同事兩人只好不管他,重拾原先被他打斷的話題。約過了十五分鐘,狄拉克終於說話了:「你們不覺得『以任何形式』這幾個字是多餘的嗎?」

或許是這種嚴謹的態度所致,狄拉克也是有名的省話一哥。根據普林斯頓的同僚,每次狄拉克講電話時,嘴巴幾乎只會吐出 ”Yes”、”No”、”I don’t know” 這幾個字。他在劍橋大學的同事也曾開玩笑地定義了「一個小時說一個字」為一個「狄拉克」單位。難怪波耳也說他是「最奇怪的人」;而這個怪咖可不是除了科學以外毫無樂趣,他閱讀廣泛,從世界文學名著到間諜小說都讀;喜歡看米老鼠卡通,還是女歌星雪兒的粉絲!

擇善固執的狄拉克因為反對在量子力學中使用「重整化」這個消除無限大的計算技巧,而與研究主流漸行漸遠,終其一生未能再有重大的研究成果。不過,如果他的另一項預言──磁單極的存在──被證實的話,那又另當別論了。

 

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。

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張瑞棋_96
423 篇文章 ・ 323 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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人類的遠古好兄弟:認識鯊魚的「適應性免疫系統」——《我們為什麼還沒有死掉?》

麥田出版_96
・2021/10/23 ・1867字 ・閱讀時間約 3 分鐘

• 作者/伊丹.班—巴拉克
• 譯者/傅賀

你可能聽過這個說法:鯊魚不會得癌症。事實上,牠們的免疫系統接近完美,牠們幾乎不會得任何疾病,牠們的免疫系統在過去幾億年裡都沒多大變化。是不是很神奇?

可惜,這都是無稽之談。沒錯,鯊魚的免疫系統非常驚人,全身分布有許多有趣而且有效的抗菌和抗病毒分子,牠們患癌症的概率也的確比人們通常預計的更低,但是鯊魚仍然會患上各種疾病,包括腫瘤。除此之外,數百萬隻鯊魚每年死於愚蠢。不是牠們自己的愚蠢(就智力而言,鯊魚還行),而是人類的愚蠢,特別是那些認為鯊魚軟骨產品可以「提高免疫力」、抗發炎甚至抗癌的江湖郎中。那種認為「鯊魚有完美的免疫系統」的觀念是由那些想透過賣軟骨藥而大賺一筆的藥商推動的,這背後的研究也不可靠。真正的科學研究已經揭穿了這些騙人的鬼把戲,但是依然有人在獵殺鯊魚,依然把它們的骨骼碾碎,當成「神奇的藥方」。

所謂「鯊魚的免疫系統從未改變過」的說法也經不起推敲。根據化石證據,我們的確發現今天的鯊魚跟牠們幾億年前的祖先「看起來 」 沒什麼差別,顯然,這讓一些人認為,鯊魚在其他方面也沒有任何變化。但這裡有一個重要區別:鯊魚的體型解決的是在水中穿行的問題;鯊魚的免疫系統解決的則是對抗病原體的問題。水沒有發生演化,但是病原體卻一直在演化。想必你明白我的意思了。

模樣特別古老的皺腮鯊(Chlamydoselachus anguineus)。圖/WIKIPEDIA by Citron

鯊魚有適應性免疫系統,也有完整可辨認的 T 細胞、B 細胞、抗體,以及各種其他組成。鯊魚跟人類的適應性免疫系統有許多差異,畢竟,我們分開的時間已經很久了。不過,牠們在許多基本的細節上跟我們類似,我們可以自信地說,某種類似的適應性免疫系統在四億年前(我們分開的時候)就已經出現並且發揮功能了。

牠們選擇留在水裡,發育出可以替換的鋒利牙齒,追逐魚類,而我們(更準確地說,是那些不再是硬骨魚的我們)則爬到岸上,失去了鰓,發育出了四肢,又過了許多年,我們回到海裡,拍攝了多部關於鯊魚及其鋒利牙齒的驚悚電影。儘管如此,我們的免疫系統提醒我們,在不同的外表之下,鯊魚和我們其實是失散多年的兄弟

但是,讓我們沿著演化史再往回走一步,來到所有的脊椎動物分成兩類—有頜與無頜脊椎動物—的時間點。你也許沒聽說過還有無頜脊椎動物;老實說,這一類生物後來活得不太好,只有兩個科的動物避免了滅絕的厄運,活到了今天:七鰓鰻和盲鰻。這兩種動物長得都比較搞笑,牠們看起來像是努力要長成魚,但是好像不太合格,直到最近,人們一直都認為牠們並沒有適應性免疫系統

屬於無頷類的盲鰻,是韓國炒魚菜的原料。圖/WIKIPEDIA

也許牠們不需要:第一批有頜脊椎動物可能是掠食者,而掠食者往往會活得更久,後代更少,而且一般更注重質而不是量。同樣可以推斷,牠們在演化過程中對感染的抵抗力更強。鯊魚、人類、其他魚類以及所有有頜脊椎動物都有一個胸腺和脾臟,而且在各個物種裡無論是形狀還是功能看起來都比較類似,但是七鰓鰻和盲鰻就沒有。研究人員仔細檢查了無頜脊椎動物的基因組,發現牠們也沒有 T 細胞、B 細胞或者抗原受體的重組基因。但是問題在於,牠們實際上是有適應性免疫系統的—只是跟我們的不一樣而已。

這一點其實意義重大。我們以為我們的適應性免疫系統相當特殊,但是我們現在看到,適應性免疫系統在脊椎動物中似乎出現了兩次,而且是獨立演化出來的。

這也許是一種經典的趨同演化(convergent evolution):正如鳥類和蝙蝠各自以不同的方式演化出了翅膀,無頜脊椎動物使用一種和我們一樣的隨機重排機制,來增加抗原受體基因的多樣性,但是牠們使用的是跟我們這些有頜脊椎動物完全不同的一套基因,這種重排機制使用的是不同的酶,做著完全不同的事情。同樣地,牠們的淋巴球類型跟我們的也不一樣。不過,牠們的免疫系統看起來跟我們的一樣有效。

——本文摘自《我們為什麼還沒有死掉?》,2020 年 9 月,麥田出版

麥田出版_96
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1992,麥田裡播下了種籽…… 耕耘多年,麥田在摸索中成長,然後努力使自己成為一個以人文精神為主軸的出版體。從第一本文學小說到人文、歷史、軍事、生活。麥田繼續生存、繼續成長,希圖得到眾多讀者對麥田出版的堅持認同,並成為讀者閱讀生活裡的一個重要部分。
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