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借鏡美國醫學利益衝突,台灣的研究規範該何去何從?

科學月刊_96
・2019/06/05 ・4971字 ・閱讀時間約 10 分鐘 ・SR值 598 ・九年級

  • 甘偵蓉/國立成功大學人文社會科學中心助理研究學者、人類研究倫理審查委員會委員

研究利益衝突,是指研究人員在專業上必須列為首要考量的利益,可能在追求私人或次要利益的過程中受到減損或負向影響,甚至因而未能遵守相關法律或專業倫理。而醫學研究與商業利益,是 1+1>2 的協同共榮?還是潛藏影響研究結果的利益衝突?

球員兼裁判?美國知名癌症研究機構爆發的利益事件

2018 年 9 月,紐約時報和 ProPublica 註一 聯合報導美國知名乳腺癌藥物研究醫師巴賽立噶 (José Baselga) 所發表的研究論文嚴重違反利益揭露規定的爭議事件。他是美國數一數二癌症研究非營利機構──斯隆凱特琳紀念癌症中心 (Memorial Sloan Kettering Cancer Center, MSK) 的首席醫療長。

美國數一數二癌症研究非營利機構──斯隆凱特琳紀念癌症中心。圖/wikipedia

自 2013 年任職 MSK 迄今發表在《新英格蘭》(NEJM) 和《刺胳針》(The Lancet) 等頂級醫學期刊論文近 180 篇,竟有 60% 未如實揭露研究利益衝突,且情況逐年嚴重,2017 年更高達 87% 完全未揭露與廠商的利益關係!不僅如此,2015~2016 年期間,他還是訂定相關財務揭露規定的美國癌症研究協會主席,更為協會所發行的《癌症發現》(Journal of Cancer Discovery) 主編之一。然而,他所發表在該期刊的論文也未揭露從廠商端收到的金錢給付。

這則報導,突顯出醫學研究與商業利益的枝附葉連。當醫學研究揭露所有潛在影響研究結果的利益衝突後,是否仍值得信賴,可能連作者本身都沒信心,更曝露出目前專業期刊要求作者填寫利益衝突揭露的表格徒具形式,幾乎無任何審核。究竟所揭露事項夠不夠、資訊正不正確,全憑作者說了算!

然而,醫學研究利益衝突未揭露新聞,僅到此為止嗎?2019 年初,兩媒體又合作 10 多篇的後續報導。透過報導,人們赫然發現,醫學研究與醫藥器材商的緊密連結關係,早已不限研究者,而是連醫學研究機構都盤根錯節,即使是非營利機構也不例外。

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此外,MSK 更被報導其 3 位高階員工所成立的新創公司「Paige.AI」,為提升癌症診斷能力,利用人工智慧判讀學習該機構所擁有的 2500 萬張病人癌組織影像。而新創公司的股權,除了 3 位員工及該中心持有外,連中心部分董事也有資金投入。雖然表面上不違法,但 MSK 是非營利機構,每年還對外募款,似有挾公眾資產以圖利特定人員之嫌。這下不只社會譁然,該中心員工也都對自家機構目前營運政策表達強烈不滿,甚至對首席執行長湯普森 (Craig B. Thompson) 進行不信任投票。

在兩媒體報導下迄今半年,巴賽立噶醫師最後以嚴重背信 (breach of trust) 被迫請辭,湯普森博士也辭掉兩家上市醫藥器材公司的董事。今年 1 月,MSK 更宣布未來禁止高階人員擔任每年可收取豐厚報酬的上市公司董事職位,並承諾在內部討論出可供期刊查核研究利益衝突揭露的共同架構後,將盡速發布架構草案。

拿人手短?研究者與資方的利益衝突

所謂研究利益衝突,是指研究人員在專業工作上必須列為首要考量的利益,可能在追求私人或次要利益的過程中受到減損或負向影響,甚至因而未能遵守相關法律或專業倫理。例如研究人員可能為了追求財富、名譽或基於個人信仰和政黨傾向等,未能正確分析及公正闡釋研究結果;或為加速某種新藥的上市,未能遵守臨床試驗法規以至傷害受試者。

事實上,研究利益衝突是老問題了,且並未隨著規範越訂越多而被逐漸解決,甚至有日益嚴重之趨勢。在這系列報導中值得關注之處有三:

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1.直接補助;間接贊助,有收錢就該公佈!

以醫學研究為例,目前有關醫學研究利益衝突的規範可溯源於美國醫學院協會 (Association of American Medical Colleges, AAMC) 於 2001、2002 年公布的個人、研究機構利益衝突監督政策及原則。不過這兩項文件都是針對臨床試驗,旨在保護人類受試者。如針對投稿期刊應揭露事項的規範,目前多以國際醫學期刊編輯委員會(International Committee of Medical Journal Editors, ICMJE)公布的「研究利益衝突揭露(ICMJE Form for Disclosure of Potential Conflicts of Interest)」表格為依準。

表格分成六部分,分別是個人資訊、投稿論文的研究經費來源、研究範圍之外相關財務活動說明、專利申請等智財權說明和其他上述未涵蓋但潛在利益衝突事項、揭露聲明等,其中,最主要是第二、三部分。

第二部分的「研究經費來源」必須勾選有無利益衝突表格上敘明評估時,不只是獲得該研究經費的起訖時間,從概念發想、規劃、執行、論文草稿撰寫、統計分析到投稿為止都應該涵蓋,且經費資助單位的揭露應包含直接資助個人與透過機構間接資助者。換言之,只要研究有使用到作者任職機構給他的薪資以外的費用或服務,不論來自政府單位、基金會或商業公司等,表格上都應勾選「是」。

不論是直接補助或間接贊助,經費資助單位的揭露都應說明清楚。圖/pixabay

第三部分的「研究範圍之外相關財務活動說明」,得勾選有無利益衝突,且應條列與作者有直接或透過機構間接財務往來的單位名稱、財務類型(如屬於研究經費、個人費用支付或非財務性的支持等)、確切名稱(如擔任諮詢顧問、支持臨床試驗或董事會成員等)。其中,單位不限投稿論文所提及的研究,舉凡對研究結果有潛在影響的都應揭露。此外,作者還需揭露以往發表過的研究中,曾獲商業資助的情形,如曾發表某臨床試驗結果,其計畫經費雖來自美國衛生研究院,但試驗用藥是藥廠贊助,就需列出藥廠名稱、在財務類型上需勾選非財務性的支持且註記是支持臨床試驗。以上所有揭露事項的起算時間,則是從投稿時間往前溯至 36 個月內。

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前述個案中的巴賽立噶未誠實揭露的事項,包含擔任商業公司付費諮詢顧問、科學或臨床諮詢委員、董事會成員、公司創辦或共同創辦人、股利分紅及相關投資等;有的是巴賽立噶直接獲益,有些是透過投資 MSK 的間接獲益。雖然他在被揭發後仍堅稱不是不知道揭露標準,而是沒揭露就是無關,但研究者如果對自我的要求遠低於該有的標準,難保不會有原形畢露而遭學界唾棄的一天。

兩媒體這次是比對巴賽立噶論文中的共同作者所揭露的事項及查詢 2013~2017 年期間,美國聯邦政府所建立的「公開支付 (Open Payments system)」資料庫中商業公司給付紀錄,才發現竟高達百篇文章未向投稿期刊如實揭露。

2.當需要跨界合作時,誰是那個最佳人選?

從報導中可發現,巴賽立噶與醫藥器材公司緊密的合作關係,正是他當初被湯普森延攬的主因。

MSK 董事會管理高層相中他擅長連結研究與商業的能力及關係,期待他帶領該中心未來研究皆能商業技術移轉,且研究人員除擔任商業公司的專業諮詢顧問外,亦能像他一樣多擔任商業公司董事,使該中心能獲得更多來自商業公司的醫學研究投資。這點或許讓巴賽立噶多少合理化何需揭露一般認為有潛在利益衝突的事項,因為對他而言,這些不早就被 MSK 承認甚至鼓勵?

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從報導中可發現,巴賽立噶與醫藥器材公司緊密的合作關係,正是他當初被湯普森延攬的主因。圖/pixabay

醫學研究需要大量資金,研究人員也未必拿人手短,只是以往調查指出,經費來自商業公司資助的研究,通常正面結果居多,且社會大眾對商業公司所資助的研究,信任度總是比較低。但過去有關利益衝突的迴避,並未禁止研究人員擔任商業公司董事,且根據兩媒體報導 2014 年一篇《美國醫學會雜誌》(JAMA) 的研究指出,目前全球前十大上市製藥公司的董事會,約 40% 成員為學術醫療機構領導者或高階管理人員。

問題是,商業公司董事有責任為公司訂定能獲取最大利潤的決策,而這可能與研究者應追求正確分析及公正闡釋研究成果有所衝突;更遑論研究者若同時也是投資客或可獲得股利分紅的人員,那麼研究成果是否能夠保證不被私人利益或專業上的次要利益所影響,可就更難說了。

3.放縱研究利益盛行?公信第三方該有的把關職責

期刊被媒體指謫對作者所揭露的事項毫無檢核作為或許會覺得冤枉,除了幾位期刊編輯無奈的表示人力不足外,對多數期刊而言,當初利益衝突揭露表格的設計,目的是讓作者主動將潛在利益衝突攤在陽光底下供審查人、讀者及大眾檢視;作者不僅得為研究結果負責 (responsibility),也必須接受學術同儕和公眾課責 (accountability)。若作者的刻意隱瞞被發現,不僅讓人有此地無銀三百兩的嫌疑,也會使大眾對其研究結果價值打折扣。也因為這種潛在壓力的制約,所以期刊對作者的揭露聲明多持信任態度。

只是目前醫學研究與商業公司的關係,如眾所皆知已到緊密共生的地步,而巴賽立噶未誠實揭露並非個案,只是因他和所屬機構很知名且未揭露的利益龐大,才變成媒體注目焦點。但是,此個案也再次警示學術界,各期刊對於作者主動揭露的內容不宜再完全信任,因為不但會惡化研究利益衝突,也未善盡應幫讀者把關的社會責任。但檢核作者有無誠實揭露的責任,畢竟不該全推給研究完成後的論文審查單位,研究前期若機構未要求研究人員定期申報揭露、有要求但未檢核,或執行中的臨床試驗未有研究利益衝突審查等類似單位監督,期刊就算想把關也無能為力。

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期刊要有效把關作者揭露聲明,涉及不同國家相關利益衝突規範是否完整,可能無統一解方。但或許可借鏡美國的公開支付資料庫,能公開查詢及下載有關醫師、教學醫院、醫藥器材製造商及聯合採購組織彼此間的財務往來。未來期刊可自行或聯合建立與此類資料庫連結的查詢平台,投稿作者未來所揭露資訊,必須直接與這類或所屬機構的資料庫連結。此概念或許類似目前有些國外期刊要求作者提供「開放研究者貢獻者識別碼 (Open Researcher and Contributor iD, ORCID ID)」。

期刊對於作者主動揭露的內容不宜再完全信任,因為不但會惡化研究利益衝突,也未善盡應幫讀者把關的社會責任。圖/pixabay

醫學發達的台灣,利益衝突規範何去何從?

目前國內醫學領域期刊多數設有利益衝突揭露欄位,但幾乎無提供如 ICMJE 表格的填寫說明及揭露標準。作者在該欄位通常也只需敘明研究經費補助來源,且一律宣稱無任何利益衝突即可。另外,目前提及研究利益衝突揭露,政府單位及多數研究機構只關注研究成果技術轉移,並只訂定如研發成果運用的利益衝突迴避規定。

科技部這幾年積極鼓勵研究機構產學合作,與之最相關的規範為行政院科學技術基本法,其中有關研究利益衝突的規定只有第十七條提及。但第十七條其實只針對研究人員需技術作價投資或兼職一事,以「應遵守公職人員利益衝突迴避法相關規定」簡單帶過。雖在 2017 年修法,但目的只是鬆綁規定,並非監督管理研究利益衝突。

至於最根本的,研究機構應規定所屬人員定期申報揭露個人薪資以外一定金額以上的業外收入及本職外不一定有獲取酬勞的兼職工作,且如發現無誠實揭露將有罰則等研究利益衝突相關之管理及規範,迄今多數研究機構仍付之闕如。僅管多數醫院的人體研究倫理審查委員會設有利益衝突審查小組,也有訂定財務利益及非財務關係申報、處置、評估及審查等規範,但僅涉及有送倫理審查的人體研究計畫。再者,此審查小組所附屬的倫審會功能,主要是監督臨床試驗執行,較不涉及試驗結束後的研究分析與成果發表,但這期間的人體研究計畫仍可能發生與投稿研究有關的利益衝突,便無從監督管理。

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醫學研究要如何在增加醫學知識、促進病人健康和商業投資者獲取利潤的三者間,努力創造三贏局面呢?還是必要時可允許犧牲病人福祉以換取商業投資者、研究人員及其機構獲利?如果不是後者,目前臺灣研究利益衝突規範相較於國外的規範及意識,顯然有非常大的進步空間。

國際醫學期刊在經歷 MSK 事件後,可預期未來在揭露聲明上會有加強管控趨勢,若臺灣一直未積極與國際規範接軌,恐怕對於國內學者未來的投稿有所影響。這或許能從臺灣醫學研究機構當初成立倫審會的緣由之一,即國際醫學期刊不接受未經倫審通過研究投稿的歷史可窺知。

  • 感謝宜蘭大學蔡孟利教授、中國醫藥大學牛惠之副教授給予寶貴修正建議。

備註

延伸閱讀

  1. Besley JC et al., Perceived conflict of interest in health science partnerships, PLoS ONE, Vol. 12(4): e0175643, 2017.
  2. AAMC, CMS’ Open Payments Rules and Database, 2019/3/23.
〈本文轉載自《科學月刊》2019年6月號〉一個在資訊不值錢的時代中,試圖緊握那知識餘溫的科普雜誌。
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科學月刊_96
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停工即停薪:如何證明你的時間值多少?車禍背後的認知 x 情緒 x 金錢 x 法律大混戰
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2026/01/09 ・3351字 ・閱讀時間約 6 分鐘

本文與 PAMO車禍線上律師 合作,泛科學企劃執行

走在台灣的街頭,你是否發現馬路變得越來越「急躁」?滿街穿梭的外送員、分秒必爭的多元計程車,為了拚單量與獎金,每個人都在跟時間賽跑 。與此同時,拜經濟發展所賜,路上的豪車也變多了 。

這場關於速度與金錢的博弈,讓車禍不再只是一場意外,更是一場複雜的經濟算計。PAMO 車禍線上律師施尚宏律師在接受《思想實驗室 video podcast》訪談時指出,我們正處於一個交通生態的轉折點,當「把車當生財工具」的職業駕駛,撞上了「將車視為珍貴資產」的豪車車主,傳統的理賠邏輯往往會失靈 。

在「停工即停薪」(有跑才有錢,沒跑就沒收入)的零工經濟時代,如果運氣不好遇上車禍,我們該如何證明自己的時間價值?又該如何在保險無法覆蓋的灰色地帶中全身而退?

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如果運氣不好遇上車禍,我們該如何證明自己的時間價值?/ 圖片來源: Nano Banana

薪資證明的難題:零工經濟者的「隱形損失」

過去處理車禍理賠,邏輯相對單純:拿出公司的薪資單或扣繳憑單,計算這幾個月的平均薪資,就能算出因傷停工的「薪資損失」。

但在零工經濟時代,這套邏輯卡關了!施尚宏律師指出,許多外送員、自由接案者或是工地打工者,他們的收入往往是領現金,或者分散在多個不同的 App 平台中 。更麻煩的是,零工經濟的特性是「高度變動」,上個月可能拚了 7 萬,這個月休息可能只有 0 元,導致「平均收入」難以定義 。

這時候,律師的角色就不只是法條的背誦者,更像是一名「翻譯」。

施律師解釋「PAMO車禍線上律師的工作是把外送員口中零散的『跑單損失』,轉譯成法官或保險公司聽得懂的法律語言。」 這包括將不同平台(如 Uber、台灣大車隊)的流水帳整合,或是找出過往的接單紀錄來證明當事人的「勞動能力」。即使當下沒有收入(例如學生開學期間),只要能證明過往的接單能力與紀錄,在談判桌上就有籌碼要求合理的「勞動力減損賠償 」。

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PAMO車禍線上律師的工作是把外送員口中零散的『跑單損失』,轉譯成法官或保險公司聽得懂的法律語言 / 圖片來源: Nano Banana

300 萬張罰單背後的僥倖:你的直覺,正在害死你

根據警政署統計,台灣交通違規的第一名常年是「違規停車」,一年可以開出約 300 萬張罰單 。這龐大的數字背後,藏著兩個台灣駕駛人最容易誤判的「直覺陷阱」。

陷阱 A:我在紅線違停,人還在車上,沒撞到也要負責? 許多人認為:「我人就在車上,車子也沒動,甚至是熄火狀態。結果一台機車為了閃避我,自己操作不當摔倒了,這關我什麼事?」

施律師警告,這是一個致命的陷阱。「人在車上」或「車子沒動」在法律上並不是免死金牌 。法律看重的是「因果關係」。只要你的違停行為阻礙了視線或壓縮了車道,導致後方車輛必須閃避而發生事故,你就可能必須背負民事賠償責任,甚至揹上「過失傷害」的刑責 。 

數據會說話: 台灣每年約有 700 件車禍是直接因違規停車導致的 。這 300 萬張罰單背後的僥倖心態,其巨大的代價可能是人命。

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陷阱 B:變換車道沒擦撞,對方自己嚇到摔車也算我的? 另一個常年霸榜的肇事原因是「變換車道不當」 。如果你切換車道時,後方騎士因為嚇到而摔車,但你感覺車身「沒震動、沒碰撞」,能不能直接開走?

答案是:絕對不行。

施律師強調,車禍不以「碰撞」為前提 。只要你的駕駛行為與對方的事故有因果關係,你若直接離開現場,在法律上就構成了「肇事逃逸」。這是一條公訴罪,後果遠比你想像的嚴重。正確的做法永遠是:停下來報警,釐清責任,並保留行車記錄器自保 。

正確的做法永遠是:停下來報警,釐清責任,並保留行車記錄器自保 。/ 圖片來源: Nano Banana

保險不夠賠?豪車時代的「超額算計」

另一個現代駕駛的惡夢,是撞到豪車。這不僅是因為修車費貴,更因為衍生出的「代步費用」驚人。

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施律師舉例,過去撞到車,只要把車修好就沒事。但現在如果撞到一台 BMW 320,車主可能會主張修車的 8 天期間,他需要租一台同等級的 BMW 320 來代步 。以一天租金 4000 元計算,光是代步費就多了 3 萬多塊 。這時候,一般人會發現「全險」竟然不夠用。為什麼?

因為保險公司承擔的是「合理的賠償責任」,他們有內部的數據庫,只願意賠償一般行情的修車費或代步費 。但對方車主可能不這麼想,為了拿到這筆額外的錢,對方可能會採取「以刑逼民」的策略:提告過失傷害,利用刑事訴訟的壓力(背上前科的恐懼),迫使你自掏腰包補足保險公司不願賠償的差額 。

這就是為什麼在全險之外,駕駛人仍需要懂得談判策略,或考慮尋求律師協助,在保險公司與對方的漫天喊價之間,找到一個停損點 。

談判桌的最佳姿態:「溫柔而堅定」最有效?

除了有單據的財損,車禍中最難談判的往往是「精神慰撫金」。施律師直言,這在法律上沒有公式,甚至有點像「開獎」,高度依賴法官的自由心證 。

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雖然保險公司內部有一套簡單的算法(例如醫療費用的 2 到 5 倍),但到了法院,法官會考量雙方的社會地位、傷勢嚴重程度 。在缺乏標準公式的情況下,正確的「態度」能幫您起到加分效果。

施律師建議,在談判桌上最好的姿態是「溫柔而堅定」。有些人會試圖「扮窮」或「裝兇」,這通常會有反效果。特別是面對看過無數案件的保險理賠員,裝兇只會讓對方心裡想著:「進了法院我保證你一毛都拿不到,準備看你笑話」。

相反地,如果你能客氣地溝通,但手中握有完整的接單紀錄、醫療單據,清楚知道自己的底線與權益,這種「堅定」反而能讓談判對手買單,甚至在證明不足的情況下(如外送員的開學期間收入),更願意採信你的主張 。

車禍不只是一場意外,它是認知、情緒、金錢與法律邏輯的總和 。

在這個交通環境日益複雜的時代,無論你是為了生計奔波的職業駕駛,還是天天上路的通勤族,光靠保險或許已經不夠。大部分的車禍其實都是小案子,可能只是賠償 2000 元的輕微擦撞,或是責任不明的糾紛。為了這點錢,要花幾萬塊請律師打官司絕對「不划算」。但當事人往往會因為資訊落差,恐懼於「會不會被告肇逃?」、「會不會留案底?」、「賠償多少才合理?」而整夜睡不著覺 。

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PAMO看準了這個「焦慮商機」, 推出了一種顛覆傳統的解決方案——「年費 1200 元的訂閱制法律服務 」。

這就像是「法律界的 Netflix」或「汽車強制險」的概念。PAMO 的核心邏輯不是「代打」,而是「賦能」。不同於傳統律師收費高昂,PAMO 提倡的是「大腦武裝」,當車禍發生時,線上律師團提供策略,教你怎麼做筆錄、怎麼蒐證、怎麼判斷對方開價合不合理等。

施律師表示,他們的目標是讓客戶在面對不確定的風險時,背後有個軍師,能安心地睡個好覺 。平時保留好收入證明、發生事故時懂得不亂說話、與各方談判時掌握對應策略 。

平時保留好收入證明、發生事故時懂得不亂說話、與各方談判時掌握對應策略 。 / 圖片來源: Nano Banana

從違停的陷阱到訂閱制的解方,我們正處於交通與法律的轉型期。未來,挑戰將更加嚴峻。

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當 AI 與自駕車(Level 4/5)真正上路,一旦發生事故,責任主體將從「駕駛人」轉向「車廠」或「演算法系統」 。屆時,誰該負責?怎麼舉證?

但在那天來臨之前,面對馬路上的豪車、零工騎士與法律陷阱,你選擇相信運氣,還是相信策略? 先「武裝好自己的大腦」,或許才是現代駕駛人最明智的保險。

PAMO車禍線上律師官網:https://pse.is/8juv6k 

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諦聽宇宙深處的低吟,宇宙低頻重力波訊號代表的意義——《科學月刊》
科學月刊_96
・2023/11/01 ・3784字 ・閱讀時間約 7 分鐘

  • 作者/陳哲佑
    • 任職於日本理化學研究所,專長為黑洞物理、宇宙學、重力理論等。
    • 熱愛旅行、排球與珍珠奶茶
  • Take Home Message
    • 今(2023)年 6 月,北美奈赫茲重力波天文臺(NANOGrav)團隊觀察到宇宙中的低頻重力波。
    • NANOGrav 團隊利用數個脈衝星組成「脈衝星陣列」(PTA),測量各脈衝星訊號到達的時間,計算不同訊號的到達時間是否存在著相關性。
    • PTA 得到的重力波訊號相當持續,沒有明確的波源。科學家推測此訊號可能來自多個超大質量雙黑洞系統互繞而產生的疊加背景。

2015 年 9 月,位於美國的雷射干涉儀重力波天文臺(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, LIGO)成功偵測來自雙黑洞碰撞的重力波訊號(請見延伸閱讀 1)。

這個發現不僅再次驗證愛因斯坦(Albert Einstein)「廣義相對論」的成功,更引領人類進入嶄新的重力波天文學時代。到了現在,我們不僅能使用各種電磁波波段進行觀測,還多了重力波這個強而有力的工具能夠窺探我們身處的宇宙,甚至還有同時結合兩者的多信使天文學(multi-messenger astronomy)註1,皆能帶給人類許多單純電磁波波段觀測無法觸及的資訊(請見延伸閱讀 2)。

如同不同波段的電磁波觀測結果為我們捎來不同的訊息,重力波也有不同的頻譜,且頻譜與產生重力波的波源性質有非常密切的關係。以雙黑洞碰撞為例,系統中黑洞的質量與碰撞過程中發出的重力波頻率大致上成反比,因此當系統中黑洞的質量愈大,它產生的重力波頻率就愈低。

目前地球上的三個重力波天文臺:LIGO、處女座重力波團隊(The Virgo Collaboration, Virgo),以及神岡重力波探測器(Kamioka Gravitational wave detector, KAGRA, or Large-scale Cryogenic Gravitational wave Telescope, LCGT)都受限於干涉儀的長度,只對頻率範圍 10~1000 赫茲(Hz)的重力波有足夠的靈敏度,此範圍的重力波對應到的波源即是一般恆星質量大小的雙黑洞系統。

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然而,來自超大質量黑洞互繞所發出的重力波頻率幾乎是奈赫茲(Nano Hertz,即 10-9 Hz)級別,如果想要探測到此重力波,就需要一個「星系」規模的重力波探測器。雖然這聽起來彷彿天方夜譚,但就在今年 6 月,北美奈赫茲重力波天文臺(North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves, NANOGrav)的團隊利用「脈衝星計時陣列」(pulsar timing array, PTA)成功地觀測到這些低頻重力波存在的證據。

以不同方式觀察不同頻率的重力波

與電磁波相似,重力波也有不同的頻率。不同頻率的重力波會對應到不同性質的波源,且需要不同的方式觀測。圖/科學月刊 資料來源/Barack, et al. 2018

NANOGrav 如何觀測低頻重力波?

讀者聽過脈衝星(pulsar)嗎?它是一種高速旋轉且高度磁化的中子星(neutron star)註2,會從磁極放出電磁波。隨著脈衝星的旋轉,它的電磁波會以非常規律的時間間隔掃過地球,因而被身處於地球上的我們偵測到,就像是海邊的燈塔所發出的光,會規律地掃過地平面一般。由於脈衝星的旋轉模式相當穩定,掃過地球的脈衝就如同宇宙中天然的時鐘,因此在天文學上有相當多的應用——甚至可以用來觀測重力波。

利用脈衝星觀測重力波的第一步,首先要記錄各個脈衝星的電磁脈衝到達地球的時間(time of arrival),並且將這些訊號與脈衝星電磁脈衝的理論模型做比對。

如果訊號和理論模型相符,那麼兩者相減後所得到的訊號差(residual)只會剩下一堆雜訊;相反的,如果宇宙中存在著重力波,並且扭曲了該脈衝星和地球之間的時空,那麼兩訊號相減之後就不會只有雜訊,而會出現時空擾動的蹤跡。

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利用數個脈衝星組成的脈衝星計時陣列,可用來尋找宇宙中低頻的重力波訊號。圖/Tonia Klein, NANOGrav 

然而以觀測的角度來看,即便我們從來自單一脈衝星的訊號中發現訊號差出現偏離雜訊的跡象,也不能直接推論這些跡象一定是來自重力波。畢竟科學家對脈衝星的內部機制和脈衝傳遞的過程也並未完全了解,這些未知的機制都可能會使單一脈衝星的訊號差偏離雜訊。

因此為了要判斷重力波是否存在,就必須進行更進一步的觀測:利用數個脈衝星組成脈衝星陣列,測量每個脈衝星訊號到達的時間,並且計算這些不同脈衝星訊號的到達時間是否存在某種相關性。

舉例來說,如果脈衝星和地球之間沒有重力波造成的時空擾動,那麼即便每顆脈衝星的訊號差都出現偏離雜訊的跡象,彼此之間的訊號也會完全獨立且不相干;反之,如果脈衝星和地球之間有重力波經過,這些重力波便會扭曲時空,不僅會改變這些脈衝訊號的到達時間,且不同脈衝星訊號到達的時間變化也會具有某種特定的相關性。

根據廣義相對論的計算,一旦有重力波經過,不同脈衝星訊號之間的相關性與脈衝星在天球上的夾角會滿足一條特定的曲線,稱為 HD 曲線(Hellings-Downs curve)。

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科學家以兩顆脈衝星為一組觀測單位,藉由觀測多組脈衝星的訊號、計算它們之間的相關性,再比較這些數據是否符合 HD 曲線,就能夠進一步推斷低頻重力波是否存在。值得一提的是,由於重力波訊號非常微弱,用來作為陣列的脈衝星必須有非常穩定的計時條件,因此一般會選擇自轉週期在毫秒(ms)級別的毫秒脈衝星作為觀測對象。

NANOGrav 在今年 6 月發布的觀測結果就是利用位於波多黎各的阿雷西博天文台(Arecibo Observatory,已於 2020 年因結構老舊而退役)、美國的綠堤望遠鏡(Robert C. Byrd Green Bank Telescope)和甚大天線陣(Very Large Array, VLA)觀測 68 顆毫秒脈衝星。

他們分析了長達 15 年的觀測數據後,發現這些脈衝星訊號的相關性與 HD 曲線相當吻合,證實了低頻重力波確實存在於我們的宇宙中。

除了 NANOGrav,其他團隊例如歐洲的脈衝星計時陣列(European Pulsar Timing Array, EPTA)、澳洲的帕克斯脈衝星計時陣列(Parkes Pulsar Timing Array, PPTA)、印度的脈衝星定時陣列(Indian Pulsar Timing Array, InPTA),以及中國的脈衝星計時陣列(Chinese Pulsar Timing Array, CPTA)等,皆得到相符的結果。

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NANOGrav 觀測結果帶來的意義

與先前 LIGO 觀測到的瞬時重力波訊號不同,目前利用 PTA 得到的重力波訊號是相當持續的,而且並沒有較明確的單一波源,反而像是由來自四面八方數個波源組成的隨機背景訊號。

打個比方,LIGO 收到的重力波訊號像是我們站在海邊,迎面而來一波一波分明的海浪,每一波海浪分別對應到不同黑洞碰撞事件所發出的重力波;而 PTA 的訊號則是位於大海正中央,感受到隨機且不規則的海面起伏。

目前對這些奈赫茲級別的重力波訊號最合理也最自然的解釋,是來自多個超大質量雙黑洞系統互繞而產生的疊加背景。若真是如此,那這項發現將對天文學產生重大的意義。

過去科學界對於如此巨大的雙黑洞系統能否在可觀測宇宙(observable universe)的時間內互繞仍普遍存疑,如果PTA觀測到的重力波真的來自超大質量雙黑洞互繞,那代表這類系統不僅存在,它們的出現還比過去我們預期的更為頻繁,且產生的訊號也更強。

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NANOGrav 的觀測結果

橫軸為脈衝星陣列中,兩脈衝星位置之間的夾角;縱軸為訊號之間的相關性;藍色數據點為 NANOGrav 15 年的觀測結果;黑色虛線為 HD 曲線。可看出數據點的分布與 HD 曲線相當吻合。圖/科學月刊 資料來源/Agazie et al. 2023

不過除了雙黑洞系統,也有其他「相對新奇」的物理機制也可能產生這樣的重力波背景,包含早期宇宙的相變、暗物質,以及其他非標準模型的物理等。若要從觀測的角度去區分這些成因,最重要的關鍵在於,能否從隨機背景中找到特定的波源方向。

如果是雙黑洞系統造成的重力波,勢必會有來自某些方向的訊號比較強;反之,如果是早期宇宙產生的重力波,那麼這些重力波將會隨著宇宙的膨脹瀰漫在整個宇宙中,因此它們勢必是相當均向的。

為了找到波源方向,提升訊號的靈敏度成為了當務之急。而若要提升 PTA 的靈敏度,最主要的方式有兩種——其一是將更多的脈衝星加入陣列;其二則是延長觀測的時間。

目前,不同的 PTA 團隊已經組成國際脈衝星計時陣列(International PTA)互相分享彼此的脈衝星觀測資料。隨著觀測技術的進步,解密這些奈赫茲級別的神祕重力波將指日可待。

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註解

  1. 相較於過往只能以可見光觀測宇宙,多信使天文學能利用多種探測訊號,如電磁波、微中子、重力波、宇宙射線等工具探索宇宙現象,獲得更多不同資訊及宇宙更細微的面貌。
  2. 質量較重的恆星在演化到末期、發生超新星爆炸(supernova)後,就有可能成為中子星。

延伸閱讀

  1. 林俊鈺(2016)。發現重力波!,科學月刊556,248–249。
  2. 金升光(2017)。重力波獨白落幕 多角觀測閃亮登場,科學月刊576,892–893。
  3. NANOgrav. (Jun 28 2023). Scientists use Exotic Stars to Tune into Hum from Cosmic Symphony. NANOgrav.
  • 〈本文選自《科學月刊》2023 年 10 月號〉
  • 科學月刊/在一個資訊不值錢的時代中,試圖緊握那知識餘溫外,也不忘科學事實和自由價值至上的科普雜誌。
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人類終於實現室溫超導體之夢?常溫常壓超導體 LK-99——《科學月刊》
科學月刊_96
・2023/11/01 ・4264字 ・閱讀時間約 8 分鐘

  • 作者/王立民
    • 臺灣大學物理學系教授,主要研究領域包括超導物理、高溫超導電子元件等
  • Take Home Message
    • 今(2023)年 7 月 27 日,韓國研究團隊宣稱他們發現一種在常溫常壓下能產生超導體性質的材料「LK-99」。
    • 筆者團隊在實驗室中合成了 LK-99 樣品,並觀察到此樣品在常溫時呈現出抗磁性性質,但不具有超導體的完全抗磁特性。
    • LK-99 樣品具有半導體的導電特性,在 390 K 也有電阻急遽下降的變化,但應為樣品內含的硫化亞銅所致,因此僅可被視為一種具抗磁性半導體材料。

一直以來,實現「室溫超導體」就是人類的夢想。今(2023)年 7 月 27 日,來自韓國的研究團隊宣稱發現一種在常溫常壓下能產生超導體性質的材料「LK-99」,隨即引起全世界的振奮與轟動。

此外,在理論計算上也顯示 LK-99 在適當的摻雜與晶格排列下,具有表現超導性的可能。

幾天後,美國勞倫斯柏克萊國家實驗室(Lawrence Berkeley National Laboratory, LBNL)的研究員格里芬(Sinéad Griffin)也指出,透過超級電腦的計算模擬顯示,當銅原子(copper, Cu)滲透到晶格中的路徑處於適當的條件和位置——特別是取代某一個鉛原子(lead, Pb)的特殊位置時——它們就能夠具有超導的共同特徵。

這是首篇證實 LK-99 理論上可行的論文,更帶動了能源科技公司美國超導體(American Superconductor Corporation, AMSC)的股價在收盤前暴漲。緊接著其他以密度泛函理論(density functional theory, DFT)計算 LK-99 的能帶結構也被提出,作者們普遍認為銅的摻雜引起了「從絕緣體到導體」的轉變,並大膽推斷 LK-99 可能具有超導特性。

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然而,各國間許多以實驗工作為主的研究團隊試圖復現韓國研究團隊 LK-99 的結果,卻未能證實 LK-99 是室溫超導體,國際團隊的實驗均顯示它僅是具抗磁性的半導體材料。

在各國紛紛設法復刻韓國團隊的研究時,筆者實驗室也立刻緊鑼密鼓加入,期望驗證這項被宣稱為「世紀大發現」的研究真實性。

超導的「迷」與「謎」

為了解這次室溫超導的真相,我們不得不先從現今超導的研究開始談起。

超導迷人之處不僅在於學術上的奇妙物理相變化,更在實際應用中展現出它獨特的性質——零電阻與完全抗磁性。這幾項特質在電力傳輸、交通、軍事、能源、量子科技等領域中,都具有相當多的應用價值。

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然而自 1911 年荷蘭物理學家歐尼斯(Heike Onnes)發現「汞」(mercury, Hg)在 4.2 K(Kelvin,克耳文)的溫度下會呈現超導特性,成為第一個超導材料以來,歷經 75 年人們發現的最高超導溫度僅有 23 K 的鈮鍺化合物(niobium-germanium)。

1986 年,瑞士物理學家米勒(Karl Alexander Müller)及德國物理學家比得諾茲(Johannes Georg Bednor)發現銅氧化合物超導體(又稱高溫超導體),並於 1987 年獲得諾貝爾物理獎。

同年,中央研究院院士吳茂昆與朱經武也發現超導溫度約 90K 的釔鋇銅氧(YBCO)超導體,它的超導溫度已突破應用液態氮 77 K 的溫度障壘。

而迄今為止,常壓下超導溫度最高的是在 1993 年發現的汞鋇鈣銅氧(HBCCO)超導體,約為 135 K。

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在理論的發展上,1957 年三位美國物理學家施里弗(John Schrieffer)、巴丁(John Bardeen)、古柏(Leon Cooper)提出 BCS 理論(Bardeen–Cooper–Schrieffer theory, BCS theory),解釋了出現於 1986 年以前的「低溫超導體」(或稱傳統超導體)的超導行為,例如同位素效應。然而公認能解釋高溫超導性的理論仍付之闕如,BCS 理論預期的超導上限溫度僅 40 K 左右。

多年來,人們也嘗試提高超導溫度,常用的手法是利用高壓,如在百萬大氣壓下一些含氫化合物將呈現近室溫的超導性,但這些方法其實對超導的理論或實驗研究不具任何意義。

因為根據基本理論,當外加壓力無限大時,超導臨界溫度(Tc)當然可以無限提高。所以具有重大意義的室溫超導,必須是在常壓下出現超導特性的材料,這也是韓國團隊宣稱 LK-99 為常溫常壓超導對科學界帶來震撼的原因。

如何檢驗材料的超導特性?

如前所述,超導具有零電阻與完全抗磁的特性,因此一項材料超導特性的驗證基本上需經由電阻與磁性的量測來確認(若加上比熱量測則會更完整)。以筆者實驗室裡用磁控濺鍍技術所成長的高溫超導 YBCO 薄膜為例,圖一(a)為量測此材料電阻率(ρ)比值隨溫度(ρ/ρ100 K− T)變化的關係(以 100 K 為基準),可以看到當溫度降至大約 88 K 時,YBCO 薄膜的電阻急速下降至近零電阻(儀表偵測極限)狀態。

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而在磁性的量測,則利用超導量子干涉磁量儀(SQUID magnetometer)量測 YBCO 薄膜在零磁冷卻(zero-field cooling, ZFC)與磁冷卻(field-cooling, FC)下的磁化強度(magnetization, M)隨溫度變化的關係。

之所以需量測 ZFC 與 FC 曲線,是為了確認超導的磁通釘扎(magnetic flux pinning)效應,也就是磁力線在超導體內部低位能區的束縛狀態(可由 FC 曲線觀察此現象),而此效應也是所謂「第二類超導體」的特徵之一。

圖一、YBCO 薄膜電阻率的比值(a)與磁化率(b)隨溫度變化的關係。當溫度降至大約 88 K 時,YBCO 薄膜的電阻急速下降至近零電阻狀態。圖/科學月刊(作者提供)

另外,若材料本身為完全無雜質存在的「百分之百超導體」,則它的磁化率(χ,定義為 M/H,H 為外加磁場強度)在 ZFC 低溫下則是完美的 -1 值(為超導體的邁斯納效應)。

相對地若材料本身只含有部分超導材料,混合了某些非超導材料,則 χ 雖仍為負值但卻會小於 1,且對應材料中超導成分所占的體積比率。因此透過磁性 ZFC、FC 的量測可以精確地定性與定量一項材料的超導特性。

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如圖一(b)所示,此為量測 YBCO 薄膜在外加磁場 5 Oe(oersted,奧斯特)下 ZFC、FC 磁化率 χ 隨溫度變化的關係。圖中可以看到 YBCO 薄膜在低溫 2 K 下 ZFC 的 χ 值為 -1,顯示它完美的抗磁性,且 ZFC 與 FC 曲線分離也顯示樣品中存在著磁通釘扎效應。

另一種大家熟知、直觀的超導現象即為磁浮實驗。圖一(a)左上角的照片便是利用筆者實驗室自行成長的大塊 YBCO 單晶(黑色),在液態氮冷卻下的磁浮實驗照片。

圖中可清楚看到磁鐵飄浮於 YBCO 晶體上方,但此處需強調的是——一項材料並不是具磁浮現象就可斷言為超導體,例如因具有高抗磁性而可產生磁浮現象的熱解碳(pyrolytic carbon),就是一種具磁浮現象但並非超導體的例子。因此,超導特性的檢驗仍須以嚴謹的電性與磁性測量為檢驗標準。

驗證 LK-99 是否為超導體

依據韓國團隊在論文中揭露的 LK-99(化學成分為 Pb9Cu(PO4)6O)合成方法,此材料的技術門檻不高,從原料到成品僅需數天即可完成。

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首先根據文獻,我們合成的 LK-99 樣品外觀與顏色與其他團隊結果無異(圖二右上角),圖二為合成 LK-99 樣品的 X 光繞射圖(X-ray diffractometer, XRD)。此結果同樣與韓國等團隊所呈現的結果差異不大,均顯示其中的成分組成並非單純化合物,尤其是其中出現銅-硫化合物的「雜相」,意味著在對 LK-99 的特性量測與下定論時需格外小心。

圖二、筆者實驗室合成的 LK-99 樣品外觀(右上)。LK-99 樣品的 X 光繞射圖與韓國等團隊所呈現的結果差異不大,均顯示其中的成分組成並非單純化合物,尤其是在合成方法中出現副產物硫化亞銅(Cu2S)的「雜相」。圖/科學月刊

圖三(a)為筆者實驗室合成的 LK-99 樣品在外加磁場 200 Oe 下的磁化強度量測結果,顯示 LK-99 在室溫(約 300 K)下具抗磁性,但換算磁化率則極低,約為 10-4 左右。我們觀察到 LK-99 的 ZFC、FC 與韓國研究團隊公開的數據類似,也觀察到類似第二類超導體 ZFC 與 FC 曲線的分離,但這可能是因樣品中存在著具有磁通釘扎效應的雜質,才會造成它在低溫(10 K)以下呈現磁矩反轉成大於零的順磁性。

圖三(b)則為筆者實驗室製作的 LK-99 樣品電阻率隨溫度變化的關係圖,樣品在常溫以下呈現半導體的導電行為,特別是在溫度約 390 K 觀察到電阻急遽降低的情形,類似韓國團隊宣稱的在約 378 K 出現超導零電阻現象。

然而,已有中國科學院研究團隊的實驗結果表明,此超導現象可能是由於合成方法產生的副產物硫化亞銅所引起,硫化亞銅已知會在 377 K 出現結構相轉變並伴隨電阻急遽下降。而 LK-99 樣品在以能量色散光譜(energy-dispersive-spectroscopy)元素分析後也能觀察到硫元素的存在,與 X 光繞射的結果吻合。

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因此,我們在實驗室中觀察到 LK-99 樣品在溫度約 390 K 時電阻急遽降低的現象,推論應為硫化亞銅所致,與超導無關。

圖三、樣品在常溫以下呈現半導體的導電行為,特別是在溫度約 390 K 附近觀察到電阻急遽降低的情形。但此超導現象可能是由於合成方法產生的硫化亞銅所引起,與超導無關。(a)LK-99 樣品在外加磁場 200 Oe 下的磁化強度量測結果,顯示 LK-99 在室溫下具抗磁性,但換算磁化率則極低。(b)LK-99 樣品電阻率隨溫度變化的關係圖。圖/科學月刊

並非室溫超導體的 LK-99

根據韓國團隊所發表的合成方法,我們複製出室溫超導 LK-99 樣品。在磁性測量部分,顯示 LK-99 在室溫為抗磁性物質,但不具超導的完全抗磁特性。

電性測量則顯示 LK-99 具有半導體導電特性,在 390 K 也有電阻急遽下降的變化,但應為樣品內含的硫化亞銅所致,與超導零電阻行為無關。因此,LK-99 僅可被視為一種抗磁性半導體材料,此結論與許多國際團隊的結果一致。在今年 8 月中旬,知名期刊《自然》(Nature)甚至刊出一篇文章直指「LK-99 不是超導體」。

LK-99 的認證實驗仍有待各國(包含韓國國內)其他團隊持續進行,尋找室溫超導之路仍然漫長。

感謝臺灣大學及國科會在研究資源的支持,以及中興大學物理系教授吳秋賢、東海大學物理系教授王昌仁及時找到元素磷,使復現實驗得以立刻進行。

也感謝實驗室團員的努力,使實驗室得以早日揭露 LK-99 真相,相關結果將整理以期刊正式發表。

註解

在超導狀態下,第一類超導體在超導臨界磁場(Hc)以下時呈現完全抗磁狀態(邁斯納效應,Meissner effect)。第二類超導體則呈現兩個臨界磁場:下臨界磁場(Hc1)與上臨界磁場(Hc2),磁場在小於Hc1下為完全抗磁性的狀態;磁場介於 Hc1 與 Hc2 之間時,部分磁力線可以進入超導體內部,呈現非完全抗磁性的混合態。

  • 〈本文選自《科學月刊》2023 年 10 月號〉
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