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研究者利用微中子傳送「無線」訊息

only-perception
・2012/03/27 ・1400字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 567 ・九年級

一群由 Rochester 大學與北卡羅萊納州大(NC State)所領導的科學家首度利用微中子(neutrinos)束傳送一則訊息。那是一種幾乎沒有質量的粒子,行進速度近乎光速。這一則被傳送的訊息穿過 240 公尺的岩石,內容即是:「Neutrino」。

“利用微中子,就有可能在地球上任意二點之間通訊而無須使用衛星或纜線,” Dan Stancil 表示,NC State 電機與電腦工程教授以及一篇描述此研究之論文的第一作者。”微中子通訊系統將會比今日的系統更加複雜,不過也許有重要的策略性用途。”

由於一種特別有價值的特性,許多人已將微中子在通訊中的可能用途理論化:它們幾乎能穿透它們所遇到的任何東西。舉例來說,如果此技術能被應用在潛艦,可以想見,它們能穿透水域,傳到很遠的距離,若使用當前技術,那會很困難,也許根本不可能辦到。且若我們想要在月球或某星球背面的外太空利用某種東西通訊,我們的訊息將毫無阻礙地直接穿過。

“當然,以我們目前的技術,需要用到大量高科技設備才能使微中子傳達訊息,所以那目前還不實用,” Kevin McFarland 說,Rochester 大學物理學教授,他涉及這項實驗。”若有朝一日要在實際應用裡利用微中子進行通訊,第一步將會是一個運用今日技術的示範。”

這個科學家團隊證明,他們有可能在芝加哥郊區的 Fermilab(費米實驗室)完成他們的測試。這個小組將他們的發現提交給 Modern Physics Letters A 期刊。

在 Fermilab,研究者得要使用二種關鍵元件。其一是一部世上最強大的粒子加速器之一,那使質子加速繞行一個周長 2.5 英里的軌道,接著使它們與一個碳標靶相撞,創造出高強度的微中子射束。其二是一套 multi-ton(多體、多例)偵測器,稱為 MINERvA,位於地底 100 公尺深的洞穴中。

利用微中子進行通訊,需要這麼大量的設置,意味著在這項技術能被合併成一種可輕易使用的形態之前,仍有許多研究得要完成。

這項通訊測試為期二小時,那時加速器為了接下來排定的停機保修,以一半的強度運作。一般的 MINERvA 交互作用資料亦在通訊測試被實現的同時進行收集。

今日,絕大多數通訊的實現,是透過電磁波的傳送與接收。這是我們收音機、手機與電視的運作方式。但電磁波無法輕易穿過絕大多數類型的物質。它們會被水、山以及許多其他的液體或固體所阻擋。在另一方面,微中子,通常會穿過整個行星而不會受到擾亂。因為它們的電中性與幾乎不存在的質量,微中子不會受到磁力吸引也不會因為重力而產生顯著改變,所以它們在行動上幾乎毫無阻礙。

科學家們利用微中子傳送的訊息轉譯成二進位編碼。換言之,『neutrino』以一連串的 1 與 0 來呈現,在此 1 對應到一群被發射的微中子,而 0 則與沒有微中子被發射對應。微中子之所以需要大批發射,是因為即便對 multi-ton 偵測器來說,它們都是非常難以捉摸,大約每百億個微中子只有一個會被偵測到。微中子被偵測到之後,在另一端的電腦將二進位編碼轉譯回英文,即成功接收到『neutrino』這個字。

“微中子已成了一種幫助我們學習有關原子核與宇宙運作方式的驚人工具,” Deborah Harris 表示,Minerva 計畫經理,”但在微中子通訊變得有效率之前,還有很長一段路要走。”

Minerva 是一個核子與粒子物理學家的國際聯盟,成員來自 21 個單位,利用一部位於 Fermilab 的偵測器研究微中子的行為。這是世上首度利用一道高強度射束來研究微中子與五種不同標靶材料之原子核進行反應的實驗,創造出交互作用的首個並列比較(side-by-side comparison)。這將協助完成微中子的圖像同時讓資料能在當前與未來的實驗中更清楚地被詮釋。

原始文獻:D. D. Stancil et. al.
Mod. Phys. Lett. A 27 (2012) 1250077
doi: 10.1142/S0217732312500770

資料來源:PHYSORG:Researchers send ‘wireless’ message using neutrinos[March 14, 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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