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把手伸進大型強子對撞機會怎樣?──《然後你就死了》

臉譜出版_96
・2019/02/04 ・2981字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 511 ・六年級

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一九七八年,俄羅斯科學家阿納托利.布戈爾斯基(Anatoli Bugorski)在視察俄羅斯最強的粒子加速器(能把亞原子粒子加速到接近光速的機器)「U–70」時,遭主粒子束打中後腦勺,並從鼻子穿出。他不覺得疼痛,只表示看到「宛如上千個太陽的閃光。」醫生速速把他送去醫院檢查,以為他會死於輻射中毒。不過,除了臉部癱瘓、偶爾癲癇、輕微輻射病及頭上有個小洞之外,布戈爾斯基並無大礙,繼續完成博士學位。

大型強子對撞機。圖/flickr

那強百倍的大型強子對撞機可以嗎?

這是不是表示,你可以把手放進歐洲新的大型強子對撞機(Large Hadron Collider)?你會不會得到一個挺酷的傷疤,除此之外毫髮無傷?不。你和你的手都不會這麼幸運,畢竟俄羅斯 U–70 加速器的威力還不到大型強子對撞機的百分之一。

大型強子對撞機是世上最強大的粒子對撞機,可把在十七哩(二十七公里)圓型隧道內的質子,加速到 0.99999999 c(時速僅比光速少七哩),並在世上最大的撞擊大賽中讓它們相撞。這撞擊威力相當強大,曾引發小社群強烈反彈,擔心會產生足以吞噬地球的黑洞。

大型強子對撞機可把質子加速至0.99999999 c(時速僅比光速少七哩)。它們相撞的撞擊威力相當強大,曾引發小社群強烈反彈,擔心會產生足以吞噬地球的黑洞。圖/pixabay

這質子束是由一千億個質子構成,若加速到接近光速,會帶有巨大能量,相當於四百噸的列車以時速百哩前進。

質子束的能量很強,可在一毫秒內在銅中鑽一百呎(約三十公尺)深。正因如此,多數加速器都指向地底,以免故障時質子束射向城市,造成傷亡。

震破耳膜的巨響──電子束的第一波衝擊

這樣你該明白,為什麼不能把手伸進質子束了吧?但假設你沒看見警告標誌,仍然把手伸進去。那麼,第一個會出的問題是什麼?你的耳朵。

在大型強子對撞機中,碳纖維骨架引導質子束的前進。如果質子束偏離,會撞擊到碳纖維,這聲音聽起來就像你站在演唱會的喇叭之前那麼大聲。之後,當科學家做完實驗,這質子束的能量就會被扔進當作質子阱(proton trap)的石墨塊,聽起來像是兩百磅(九十一公斤)的黃色炸藥(TNT)爆炸,足以震破耳膜。

如果質子束偏離,會撞擊到旁邊的碳纖維骨架,而你的耳朵就好像站在演唱會的喇叭之前。當實驗結束,這質子束的能量就會被扔進當作質子阱(proton trap)的石墨塊,聽起來像是兩百磅(九十一公斤)的黃色炸藥(TNT)爆炸,足以震破耳膜。圖/pixabay

因此,你得戴耳塞。但說真的,耳膜震破是最不嚴重的問題。更大的問題在於質子束的力量。

手一動就切兩半──電子束的第二波衝擊

質子會毫無阻礙地通過你的手。質子束很小,寬度只和鉛筆的鉛芯差不多,且移動速度之快,你根本不會覺得痛。質子束很可能錯過你的骨頭,你的手或許能繼續正常運作,但只有手掌在非常非常靜止的時候是如此。

U–70 俄羅斯反應器不僅力量比大型強子對撞機小得多,而且只打出一發,因此布戈爾斯基頭上只有一個洞。大型強子對撞機比較像質子機關槍,在兩秒內發射將近三千發。如果你在第一發時把手抽離,質子束就會把你的手切成兩半。

萬別這麼做

U–70 俄羅斯反應器只打出一發,因此布戈爾斯基頭上只有一個洞。大型強子對撞機比較像質子機關槍,在兩秒內發射將近三千發。如果你在第一發時把手抽離,質子束就會把你的手切成兩半。圖/pixabay

輻射中毒而死──電子束的第三波衝擊

質子穿過你(但願是)靜止的手時,還會發生另一個更嚴重的問題。移動得這麼快的粒子必定有強烈的輻射。即使你離質子束好幾公尺,得到的輻射量還是會和照完整的胸腔 X 光一樣。

不過,如果質子束打到你,你究竟會得到多少輻射卻很難說。質子束本身帶有極大量的輻射,殺死你還綽綽有餘,不過大部分的輻射會錯過你。這是因為,雖然你認為你的手是靜止的,但從原子層次來看,其實是很大的空間。

如果你手上的一個原子放大成足球場的規模,那麼原子核就是在五十碼處的一粒彈珠。由於朝你發射的輻射子彈也相當小,多數都會錯過,因此饒了你一命,你不會馬上死。可惜的是,雖然大部分會錯過,但你可能被剛好夠多的輻射量擊中,於是緩慢而痛苦地死去。

質子束本身帶有極大量的輻射,殺死你還綽綽有餘,不過大部分的輻射會錯過你。可惜的是,雖然大部分會錯過,但你可能被剛好夠多的輻射量擊中,於是緩慢而痛苦地死去。圖/pixabay

即使 U–70 加速器不到大型強子碰撞機力量的百分之一,就差點讓布戈爾斯基死於輻射中毒。有鑑於此,我們敢打包票,大型強子碰撞機的質子束必定會奪去你的性命。質子束打到你手部時所產生的粒子,會以至少十西弗的輻射毒害你全身,而你的經歷會像一九九九年日本東海村核燃料製備場的意外中,兩名死亡的工作人員一樣。

巨量輻射讓你怎麼死?

大內久與篠原理人在製造小批量的核燃料時,因配方計算錯誤,導致混合物發生臨界事故。即使是接觸到致命的輻射量,受害者也不會立刻感到不適。症狀可能要經過幾個小時才會浮現。但是暴露在極端大量的輻射量時(例如你、大內久與篠原理人),症狀卻會馬上出現。

等到質子束穿過你的手,你眼前會馬上出現藍光,這是因為輻射通過你眼球液體的速度比光速還快(光速在水中的速度,比在真空慢三○%),並產生看起來是藍色的電磁波,稱為「契忍可夫輻射」(Cherenkov radiation)。大內久與篠原理人都說看見房間變成藍色,然而安全攝影機卻未顯示任何顏色改變。

質子束穿過你的手,你眼前會馬上出現藍光,稱為「契忍可夫輻射」(Cherenkov radiation)。 圖/wikimedia

質子束的能量會讓你變熱,因此你除了覺得房間顏色變藍之外,也會感覺變得很熱。你也會馬上想吐,因為輻射攻擊胃壁。你的皮膚則嚴重灼傷,此外還呼吸困難,可能失去意識。

你的白血球數量會降到趨近零,免疫系統無法發揮作用,內臟慢慢受損。醫生能治療你的症狀,卻無法挽回遭到輻射毒害的器官。你會在四到八週內死亡,確切時間取決於你所接收到的輻射量及內臟損壞惡化的速度。

不過,你手上的洞會很小,遲早會癒合,只留下小小的傷疤。

 

 

本文摘自《然後你就死了:被隕石擊中、被鯨魚吃掉、被磁鐵吸住等45種離奇死法的科學詳解》,2018 年 5 月,臉譜出版。

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臉譜出版有著多種樣貌—商業。文學。人文。科普。藝術。生活。希望每個人都能找到他要的書,每本書都能找到讀它的人,讀書可以僅是一種樂趣,甚或一個最尋常的生活習慣。

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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/11/01 ・2113字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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當生命走向完結,怎麼樣避免遺憾?——《你需要的是休息,而不是放棄》
親子天下_96
・2022/06/15 ・2573字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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  • 作者/蔡佳璇、葉品希

當生命之歌曲終時

前陣子有位 Podcast 聽眾問我一個很嚴肅的問題,他說他一直想跟家人討論自己如何死去,或是葬禮要如何進行的議題,可是很難鼓起勇氣開口,也不知道怎麼開始。看完他的提問後,我感觸很深,近年來從台鐵出軌到疫情爆發等事件,加上親朋好友也有家人無預警地離開,許多人都經歷著傷痛,正在復原的路上。生活中的事件,會令人感受到死亡其實離我們很近,想要更珍惜生命中看似平凡的每一天,甚至每一秒。

為了這個難解的問題,我特別找了以前的同事——商沛宇臨床心理師一起討論,由於她曾在醫學中心的安寧病房擔任心理師,現在也從事著心理腫瘤的工作,每天都很貼近生命的議題,便想聽聽她的看法與建議。

在我的臨床觀察和她的經驗裡,一般很少有人提前談論,甚至做好面對死亡的準備,但也有例外,一種是對於生死已經有自己的態度跟深切想法的人,例如已經八、九十歲高齡,人生經歷豐富,身邊很多人都已經離開了,所以對生死相對坦然的長者,可能就會提早跟晚輩們交代自己的對身後事的期待;另外一種,是他自己的親人好友曾罹患癌症或重症,由於經歷過臨終的陪伴,而開始思考自己在生命的最後一段路想要怎麼走,就可能會做出提前簽署 DNR 的決定。

死亡其實離我們很近,一般卻很少有人提前談論,甚至做好面對死亡的準備。圖/Pexels

DNR 的抉擇

DNR(Do Not Resuscitate)是病人本身或家屬簽署同意書,在病人臨終、瀕死或無生命徵象時, 不施予心肺復甦術(cardiopulmonary resuscitation, CPR),包含:氣管內插管、體外心臟按壓、急救藥物注射、心臟電擊、人工呼吸等其他救治行為,以較有尊嚴的方式自然離開人世,免受人工維生醫療拖延時日的痛苦。只要年滿二十歲就可事先簽署,並註記在健保卡內。

不過,大多數的臺灣人在病情還沒有進展到最後關頭時,很少人會預先做這樣的決定。通常是直到醫療團隊主動提起,家人們才會討論。而且大家似乎都誤以為 DNR 就是「不救了」,其實必須是無法治癒的程度,或醫師預期到目前多餘的醫療行為都只是傷害時,才會提出 DNR 的選項。

面對死亡真的不是那麼容易的事,所以會想要逃避其伴隨的負向情緒也在所難免。但醫療有極限,醫生也不是神,有時候疾病勢必會走向末期的歷程,而在做疾病告知或預後時,如果拖得越久,就越容易錯過時機。曾有些經驗是病人會埋怨家屬或醫療團隊:「為什麼現在才告訴我?」產生隔閡,或者很多時候是家屬擔心病人知道實情會受不了,而要求隱瞞,甚至有時會說:「沒關係,等他昏迷的時候,我們再幫他決定好了。」但也有看過家屬認為,不告知或詢問病人自身意願的話,就好像是自己在幫病人決定生死,壓力好大,擔心自己會不會做錯決定,然後一輩子都背著這個包袱。

其實病人被隱瞞時,是很容易產生孤立與焦慮感的。所以,近年才會持續推動疾病告知和「安寧緩和醫療」,希望當病人仍處於清醒時,和他討論後續的照護方式,包含 DNR 在內。通常如果家屬願意開放性的討論,大多都能尊重病人的意願,決定落差都不會太大,甚至是可以平靜與家屬一起討論喪葬事宜,這都是為了避免生者與逝者的遺憾。

病患與家屬若願意開放性的討論喪葬事宜,都可以避免日後的遺憾。圖/Pexels

安寧緩和醫療讓生命沒有遺憾

還有另外一個名詞也常被誤解,那就是「安寧緩和醫療」。一般大眾沒有辦法從字面上理解含意,有些人還以為住進安寧病房就出不來了,真是天大的誤會。在安寧病房,主要是控制症狀,像是想辦法減輕病人的疼痛與不適,當生理症狀控制好,身體舒服了,心理才會有更多的空間與彈性,去思考更多的事,包括如何跟家人一起走過人生最後一程,度過哀傷的歷程,這是安寧緩和醫療很重視的一部分。

沛宇提到,她曾經照顧一位年輕媽媽來來回回出入安寧病房三次,每一次的出院,她都會好好把握那段時間完成一些事情,例如帶著孩子坐高鐵出去玩;她曾經跟安寧病房的團隊提過,她心裡有個畫面,就是帶著全家人一起去美術館前放風箏。所以安寧團隊的護理師、心理師、社工師,就做了很多的事前準備和安排,陪伴她和先生、兩個小孩一起去美術館放風箏。看著風箏在天空飄揚時,她跟孩子說:「未來有一天,媽媽不在這個世界上了,媽媽會像這支風箏一樣,雖然遠遠的,但一定還是跟你們牽繫在一起,看著你們成長。

聽沛宇分享這個動人的故事,我好佩服這位媽媽和安寧團隊,透過這樣的活動把她和家人的連結具象化,那個畫面應該會永遠留在孩子的心中成為力量吧!

「雖然遠遠的,但一定還是跟你們牽繫在一起,看著你們成長。」圖/Pixabay

當生命來到最後的階段,你可以選擇忍受痛苦繼續積極治療,也可以選擇讓自己相對舒服,在有限的時間和狀態下,陪伴在重要的人身邊,留下最後的回憶;或是回顧自己的生命,細數生命中重要的人、事、物,審視自己的信念和價值觀,讓它能夠傳承。如此,即使物理性的生命不在世上,但精神長存,愛與力量可以延續

另外在這個案例中,我也看到了一件很重要但常被忽略的事。以往在一個人得了重大疾病後,常會被貼上病人的標籤,卻忽略了他原本的角色,或許是一位媽媽、是一位老師或主管⋯⋯這些角色好像在知道診斷的那一瞬間都不見了,甚至病人可能也忘記自己在生命中有其他的面貌。

透過安寧緩和醫療,整個團隊的協作可以幫助病人控制好生理的不適,變回一個完整的人,讓家人的腦海裡,不只是留下他虛弱病人的印象,而是有尊嚴地度過這段臨終時期。

——本文摘自本月選書《你需要的是休息,而不是放棄:哇賽療心室,19道練習陪你解鎖人生難題》,2022 年 6 月,親子天下,未經同意請勿轉載

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將一生毫無保留地奉獻給科學——瑪麗亞.斯克沃多夫斯卡.居禮
椀濘_96
・2022/03/21 ・3561字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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瑪麗亞.斯克沃多夫斯卡-居禮(Maria Skłodowska-Curie,1867-1934),看姓氏不難聯想到,她就是我們所熟知的居禮夫人。她開創了放射性理論,發明分離放射性同位素技術,以及發現兩種新元素,是第一位獲得諾貝爾獎的女性,也是首位獲得兩座獎項的學者,在科學上的貢獻對後世影響深遠。

瑪麗亞.斯克沃多夫斯卡-居禮(1867-1934)。圖/Wikipedia

艱難困苦的童年

瑪麗生於波蘭華沙的書香世家,排行老么,家中有布朗斯拉娃(二姐)與索菲亞(大姐)兩位姊姊。父親是一名中學老師兼理事,母親原為一名校長,祖父亦是位受人尊敬的數學與物理教師。

當時的波蘭已被俄羅斯帝國佔領,在沙皇的統治下,波蘭人民的生活處處受限,也影響了瑪麗一家的命運。瑪麗的父親因濃烈愛國精神而被俄國上司打壓,校方撤除了他的理事一職,並將他們全家趕出宿舍;加上雙親的家庭參與波蘭獨立民族起義,家中又遭遇投資失利,經濟頓時陷入困境。

隨後瑪麗一家搬進廉價的住所,父親為貼補家用便招收了多名寄宿生,平時除供應食宿外,從學校下班後還替他們補習來賺取更多收入。生活看似漸漸好轉,但遺憾的是,短短三年內瑪麗的大姐及母親皆因病去世。

1890 年,瓦迪斯瓦夫.斯克沃斯基與女兒們的合影,左起:瑪麗亞、布朗斯拉娃(二姐)、索菲亞(大姐)。圖/Wikipedia

因性別在求學路上受阻

天資聰穎的瑪麗亞自幼就是個相當用功的學生,尤其在數理方面更是表現亮眼;在她 15 歲那年,便以第一名的成績從女子文理學校畢業。

然而,因當時波蘭的正規高等院校拒收女性學生,波蘭女子若想繼續接受正規的大學教育,唯一一條路就是出國留學,但這對瑪麗家中的經濟條件而言,是筆相當大的開銷且難以負擔。

成績同樣優異的二姐曾想過前往巴黎學醫,夢想成為一名懸壺濟世的醫師,但礙於家中經濟狀況遲遲無法如願。瑪麗想幫姐姐盡早完成學業,決定先當家教來資助其學費,兩人也約定,待畢業後再協助瑪麗出國求學。在瑪麗的支持下,二姐終於得以前往巴黎一圓醫師夢。

爾後的幾年,瑪麗一面做著家教工作,一面自學,期間閱讀了大量化學相關書籍,也是在這時獲得了第一份實驗室工作機會,這消息對她相當振奮;儘管實驗室設備簡陋,但能把在書中讀到的知識親手實作就已心滿意足,此經歷也影響了她未來將走上科學研究這條路。晚年瑪麗回憶起這段的時光:

「就是因為這第一次的實驗室工作,使我肯定自己在實驗研究上的興趣。」

突破重重阻礙取得學位

1891 年,24 歲的瑪麗在進行實驗室工作的同時,也終於踏上留學路,前往巴黎大學修讀物理學。剛到巴黎的她人生地不熟,對語言不熟悉外,又因過往在波蘭所受的教育無法應付大學課程,初期學業表現遠遠不及同儕。瑪麗便在課業上下足功夫,閒暇時間也都泡在圖書館裡,終於皇天不負苦心人,靠著清晰的思維加上勤奮苦讀,成績漸漸有了起色。

1893 年瑪麗以第一名的佳績成功取得了物理學碩士學位,原先是想再取得一個數學學位,但此時她已將留學用的積蓄花光,也就放棄了這份念頭。幸運的是,在友人的協助下,華沙當局頒發給瑪麗海外優秀留學生「亞歷山大獎學金」,使她得以重返巴黎大學繼續深造,並在隔年順利取得第二個碩士學位。值得讚揚的是,在畢業的幾年後她將這份獎學金歸還給委員會,這舉動令人相當震驚,從未有任何一名學子歸還過,而瑪莉是第一位。

科學界的佳偶——居禮夫婦

學成後,瑪麗留在法國並開啟了她的科研生涯。當時為了能夠順利進行工作,正尋找著合適的實驗室;在同鄉物理學家約瑟夫.科瓦爾斯基介紹下,她結識了未來的丈夫,法國青年科學家——皮耶.居禮。對科學滿懷熱情的兩人情投意合,彼此欣賞著對方的個性及才華。

1894 年,瑪麗返回波蘭生活,原以為能在家鄉繼續從事喜愛的科研工作,然而波蘭的大學仍以性別為由將其拒絕。在皮耶的說服下,瑪麗回到巴黎並協助他完成了磁性研究,兩人也在同年結為連理。

當時總有人打趣得說:「皮耶最大的發現就是瑪麗」。

在實驗室裡的居禮夫婦。圖/Wikipedia

帶領科學邁向新篇章

婚後夫婦倆一面養育女兒,一面做科研。瑪麗首要目標就是取得博士學位,她選定了當時剛發現的X射線以及鈾射線作為研究主題。後續在研究鈾礦時,透過驗電器的測量結果,瑪麗推斷鈾礦必定含有其他活性比鈾大的物質,於是開啟了她尋找其他放射性物質之路。

皮耶對瑪麗亞的工作越來越感興趣,隨後也加入了太太的行列。他們用酸液分解研磨過的瀝青鈾礦,再用化學分析方法分離出瀝青礦中可能含有比鈾更具放射性的物質。不久後,成功從實驗裡發現了比鈾的活性高 300 倍的新元素。隨後居禮夫婦發表了一篇聯合署名論文,正式宣布以「釙」(Polonium)命名所發現的新元素,以紀念波蘭。

在發現釙之後不久,她從實驗中發覺似乎有更強烈的放射性物質,便認定這也許是另一個新元素,這時物理學家亨利.貝克勒也加入了居里夫婦的研究行列。他們終於找出這個放射性比鈾大 900 倍的物質,三人將新元素命名為「鐳」(radium),拉丁文意為「射線」,也在研究過程中創造出單詞「放射性」(radioactivity)。

在當時居禮夫婦聯合及單獨發表的 32 篇論文中,其中一篇就為:在鐳輻射下,病變或腫瘤細胞比健康細胞死得更快。可說是若沒有這份的研究成果,就不會有現在用來治療癌症的放射性療法了。

得來不易的諾貝爾獎

在一系列研究及發現後,1903 年瑪麗終於獲得巴黎大學物理博士學位。同年瑞典皇家科學院授予居禮夫婦及亨利.貝克勒諾貝爾物理學獎,起初委員會僅表彰皮耶和貝克勒,不過有位倡導女性科學家權利的委員通報並向上申訴,瑪麗亞才能獲得提名,成為了首位獲得諾貝爾獎的女性。

1911 年諾貝爾獎證書。圖/Wikipedia

隨著瑪麗亞成功從金屬中提煉出鐳,1911 年瑞典皇家科學院授予她第二座諾貝爾獎(此次為化學獎),以表彰:「發現了鐳和釙元素,提煉純鐳並研究了這種引人注目的元素的性質及其化合物」。此次的獲獎肯定也使她能夠說服法國政府支持並建立鐳研究所,該研究所於 1914 年建成,研究領域涉及化學、物理、醫學等。

將自己毫無保留地貢獻給科學與社會

一戰期間瑪麗為協助戰地外科醫生,便在靠近前線的地方設立了戰地放射中心。她的身影穿梭在戰地醫院中,指導著 X 光裝置的組裝及使用,據估計,超過 100 萬受傷士兵受過她的流動式 X 光機治療。

瑪麗與她的 X 光車。圖/Wikipedia

在戰後的歲月裡,瑪麗亞將時間奉獻將所學與經驗傳授給學生,也包括許多遠從世界各地慕名而來的後進學者。在她的指導下,鐳研究所培育出了四位諾貝爾獎得主,女兒伊倫.約里奧-居禮及女婿弗雷德里克.約里奧-居禮也在其中。

1934 年,瑪麗亞因再生不良性貧血逝世於療養院,後世普遍認為是因長時間暴露於輻射中而造成的,當時科學上並未了解到游離輻射會對人體產生危害,也未開發任何防護措施。瑪麗亞的生活處處充滿放射性物質,幾十年間患上了多種慢性疾病,然而一直到去世,她從未意識到這會危及自己的健康甚至是生命。

瑪麗亞.斯克沃多夫斯卡-居禮一生不慕名利,奔波於科學研究、教育學子,將畢生毫無保留地貢獻給科學與社會。直到今日,世人仍持續讚賞她的付出與貢獻,紀念這位偉大的科學家。

參考資料:

  1. 維基百科—瑪麗.居禮
  2. 科學名人堂—居禮夫人
  3. 居禮夫人:大家都聽過的科學家,與她充滿波折的人生和感情路
  4. 科技大觀園—開啟輻射醫學大門的居禮夫人
  5. 傑出的科學貢獻與多舛波折的人生:瑪麗.居禮誕辰|科學史上的今天:11/7
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