覺得喘不過氣？當心氣胸找上門

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。

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。

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」。

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。

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。

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

• 撰文｜許世穎
• 本文轉載自 CASE 科學報《天王星上的 X 光》

天王星是非常有趣的行星。希臘羅馬神話中，它是土星的爸爸、木星的爺爺、火星的曾祖父。比起其他行星是「站著自轉」，天王星是「躺著自轉」。太陽系 8 顆行星當中大多都觀測到了 X 光的訊號。唯獨兩顆冰巨行星：天王星、海王星沒有。終於，研究團隊從 2002 年以及 2017 年的資料中找到了天王星上 X 光訊號的證據。本文帶大家認識一些天文星有趣的歷史、文化、以及認識這一篇 X 光的研究成果。

天王星的發現與特色

天王星的視星等大約為 5.5，是一顆非常暗的星，幾乎接近人眼的極限。平時在一般都市環境中非常不容易直接用肉眼看到，只有在晴朗、沒光害的夜空中比較有機會。

正式的發現、命名者是英國的威廉．赫雪爾（William Herschel）。一開始猜測是個彗星，後來才確認是個行星。英國國王喬治三世還因此以一年 200 英鎊的薪水聘僱他，依照零售物價指數（Retail Prices Index）來推算的話，相當於現今一年一百萬台幣的薪水 ^[2]。

這筆薪資顯然相當優渥，本來赫雪爾想要將這顆星命名為「喬治之星」（Georgium Sidus）。不過當時除了喬治三世和赫雪爾以外，當時喜歡這個點子的人並不多。畢竟其他的行星都用希臘神話來命名，突然冒出一顆用英國國王命名的行星怎麼樣看都不合適。

最後由柏林天文學家約翰．波德（Johann Bode）的建議定案為「Uranus」，這個字的詞源是希臘神話中的天空之神「烏拉諾斯」。幾乎每個希臘神話中的腳色都能在羅馬神話中找到對應。「烏拉諾斯」對應到的就是「凱路斯（Caelus）」，是「薩圖恩（Saturn，即土星）」的爸爸；是「朱比特（Jupitar，即木星）」的祖父；更是「馬爾斯（Mars即火星）」的曾祖父。

因此在希臘羅馬神話當中，天王星、土星、木星、火星可是祖孫四代呢。

恆星一般在天空中的相對位置幾乎是不變的，要花千年、甚至萬年才有可能看到一些變化。離太陽愈遠的行星，在天上的相對位置變化愈慢。木星要回到原來的位置要花 12 年、土星更要花上 30 年，天王星更慢，要 84 年！因為天王星在天上的相對位置實在變化得太慢了，以至於早期先民即使看到了天王星，也認為它是一顆恆星。

與其它的行星比起來，天王星離地球非常遙遠。唯一抵達天王星過的太空探測器是 1977 年發射，飛了將近 9 年後才抵達的航海家 2 號（Voyager 2）。這台探測器從地球出發，觀測了木星、土星、天王星、海王星之後，繼續一路向外飛，現在幾乎已經離開了太陽系。

上面大多數的儀器都已經缺少電力、無法運作，只保留了最基本的功能。去年底對它發射訊號時，在將近 35 小時之後還是收到了回應。

天王星在太陽系的八顆行星裡面，有著一個非常奇特的性質：「躺著自轉」。其他七顆行星的自轉與公轉差不多是在同一個平面上，以地球為例子，地球的自轉軸與公轉軸只差了 23.5° 左右。

但是天王星的自轉軸與公轉軸相差了 98°。如果把公轉面想像成水平面的話，地球的自轉就像是一個旋轉的陀螺，而天王星則是電風扇的扇葉。

天王星上的 X 光訊號！

太陽系的行星成員當中，除了地球以外，水星、金星、火星、木星、土星都偵測到過 X 光的訊號，甚至連彗星、以及矮行星冥王星都偵測到過 X 光。在最近這篇研究出來之前，行星當中就只剩下兩顆冰巨行星：天王星、海王星還沒有量測到 X 光。

最近，研究團隊檢視了「錢卓拉 X 射線天文台（Chandra X-ray Observatory）」的觀測數據，研究團隊量測到了天王星上的 X 光，研究結果發表在期刊《地球物理研究期刊：太空物理學（JGR: Space Physics）》當中 ^[5]。

錢卓拉 X 射線天文台是當代最重要的 X 射線望遠鏡。自 1999 年發射升空服役到現在，累積了非常多的觀測資料，有許許多多 X 光的重要觀測貢獻都來自於這台望遠鏡。然而宇宙間能觀測的天體實在太多啦，對天王星的觀測其實非常稀少。截至 2020 年 6 月，只有三次對天王星的觀測：2002 年 1 次、2017 年 2 次。到了這一兩年研究團隊才從這些資料中找到了天王星上 X 光的訊號。

X 光是電磁波頻譜上高頻率、高能量的波段。要產生 X 光，一般來說要有特殊的環境才可以。天王星上 X 光最主要的來源是對太陽光的散射。太陽光本身是一個很強的 X 光光源，即便天王星離太陽這麼遠，太陽所發出來的X光到了天王星以後，被天王星的氣體分子散射開。這個機制是天文學家已知的，過去在木星、土星上面看到的 X 光也都是這一類。

特別的事情是，天文學家藉由木星、土星的數據推算了一個天王星上可能量測到的 X 光強度。但研究量測後卻發現 X 光的強度比推算的數值還要更強。這有幾個可能，一個是天王星對太陽 X 光散射的效果比木星、土星更好。另外一個可能性就是天王星有額外的 X 光產生機制。

目前推論與天王星周遭的帶電粒子有關。比方說，天王星和土星一樣，周圍有一圈環。當帶電粒子撞擊到天王星環的時候，就有機會放出 X 光。另外一個可能性是「極光」，當帶電粒子因為磁場等效應掉進大氣層、與大氣分子相撞後，也有機會放出 X 光。這個現象在木星上也看到過。不過到底是哪個機制就仰賴未來更多的觀測了。

天王星在太陽系是很重要的存在，它是離我們最近的冰超巨星、而且還躺著自轉，讓我們有機會以不同的角度觀測行星。太陽系的冰超巨星只有兩顆，由於距離遙遠，都很不容易觀測。現在好不容易在天文星上看到了 X 光的影像，使我們得以更全面地了解冰超巨星的性質。對太陽系內、太陽系外的行星都能有更全面的理解。

參考資料：

1. NASA / First X-rays from Uranus Discovered
2. Measuring Worth
3. NASA Planetary Photojournal / NASA Voyager 2 Could Be Nearing Interstellar Space
4. WASP Planets
5. R. Dunn et al., A Low Signal Detection of X-Rays From Uranus, Journal of Geophysical Research,  (2021)
6. SciTechDaily / First Detection of X-rays From Uranus

• 本文轉載自科技大觀園，原文為《特務電影成真：建築和地球結構都能透視的「渺子成像術」——專訪中央大學物理系郭家銘教授與地科系陳建志教授》
• 作者 / 科技大觀園特約編輯｜熊一蘋

想像一下特務電影的經典橋段：主角成功潛入敵方基地，接著拿出他的神秘裝置，把它安裝在牆上，不到幾秒時間，基地內部的空間結構圖就全部呈現在螢光幕上。這種透視整座建築物的技術，讓電影展現了近未來的科幻色彩，那麼，在現實世界中，我們還有多久才能開發出這樣的技術？

「不用未來，事實上現在是可以的，但要幾秒那麼短的時間倒是不可能。」中央大學物理系的郭家銘老師說，只要利用「渺子成像術」就能做到，他和中央大學地科系的陳建志老師、電機系林祐生老師、中研院物理所林志勳老師執行中的計畫，就是在研究這項技術，不過他們透視的主要對象不是建築物，而是山體。

幫巨大物體照X光的新型成像術

說明渺子成像術之前，首先要介紹什麼是「渺子（muon）」。渺子是組成物質的基本粒子之一，最早在1936年被物理學家卡爾．安德森（Carl Anderson）發現，和電子一樣屬於輕子，兩者最大的不同之處在於，渺子的質量比電子重了約210倍，這點讓渺子具有很強的穿透能力。自然界中的渺子主要由外太空來的宇宙射線撞擊大氣層氣體分子後，經由π介子衰變來到地表，在你閱讀這篇文章的同時，也有無數的渺子從四面八方飛來，以接近光速穿過你的身體。

渺子的另一個特性是，在密度越大的物質中，它的能量損失得越快。在福島核電站的修復工程中，渺子探測的技術被用來從安全距離之外探測密度極高的鈾、鈈等放射性物質，以免修復人員受到輻射影響，這是其他成像技術無法做到的。而對於密度沒那麼高的建築物，或是山體、岩層等地球結構，渺子有可能穿透長達數公里的距離。渺子成像術的基本原理，就是分析不同角度探測到的渺子數目，再反過來推算探測目標內部各部份的密度，只要有兩個點的數據，就能建立三維的透視結構，就像是幫建築和山體照X光。以在的中央大學的圖書館來說，雖然無法像電影一樣在幾秒內成像，但也只要一週左右就能得到不錯的成果。

郭家銘老師說，渺子成像術在臺灣是個不常聽到的詞，但相關實驗在1950年代就已經出現，其中最有名的是在1960年代，研究團隊在沒有傷害金字塔結構的情況下，用渺子成像術找出了內部隱藏的密室。郭家銘老師則是在2014年，在西班牙的高能物理研討會得知這項技術。

「我做的是高能物理，常有人覺得我們的研究成果沒什麼應用價值，那時候聽到這樣一項報告，是可以在民生經濟上提供一些幫助的，聽起來就很酷。」郭家銘老師說，一般人覺得高能物理就是研究基本粒子，是很純的物理，但這個領域也對人類生活有不少貢獻。卡爾．安德森在發現渺子的同一年因為發現正子獲得諾貝爾獎，當時沒人知道怎麼應用，但現在正子被用來治療癌症，這就是從高能物理開展出的新技術，渺子成像術也是其中之一。

西班牙的會議後過了幾年，郭家銘老師有一名助教找到新型渺子探測器的論文，幫助兩名學生試著自行製作；兩年前剛好科技部推出鼓勵跨領域研究的沙克爾頓計畫，經過一番牽線，郭家銘老師找到了以前的鄰居陳建志老師，開始執行計畫，試著將渺子成像術應用在地球科學領域的探測上。

「我們地球物理的研究者，一直都是用各種方法在地表測量物理場，去得知地底下的結構，各式各樣的探測技術都想要積極開發。」陳建志老師說，渺子探測出的物理量是岩體的密度，傳統的測量方式是重力測勘，但這種方式探測的對象往往是以數公里為單位，沒辦法做更細緻的探測。「以臺灣來說，我們很容易因為豪雨造成山崩，但這種事件不會無端發生，有潛在危險的坡體，在某些地方是破碎的，密度會比緻密、完整的岩層更小。像這種數十公尺級的對象，用傳統的重力法很難做得到，但渺子探測術能解析的空間非常細，就可以應用在這種地方，來找出有邊坡危害的土地。」作為一項發展中的新技術，渺子成像術可以探測的對象體積大，解析度可高達數十公尺，也不需要額外產生震波、電流等人工信號，有著各種讓陳建志老師期待的優點，但也理所當然地，有著許多要面對的挑戰。

初次應用實驗，為隧道工程探勘前路

由郭家銘、陳建志兩位老師主持的渺子成像術應用計畫，研究團隊含括了物理系、地科系、電機系等不同系所的成員，目前已經執行到第二年。在最初的一年半，團隊專注於兩個目標：新型探測器的研發，和反演算法的的發展。

郭家銘老師說，在高能物理這個領域，為了實驗寫程式、設計電路板是稀鬆平常的事。目前他們正在建造的探測器和傳統用於渺子成像術的探測器不同，體積更小，需要的電壓也從1000伏特減少到30伏特，用在戶外實驗的機動性更高。得到測量的數據後，還需要有個反演算法去回推觀測對象內部各部份的密度，這部份的技術則是由地科系的成員來持續完善。陳建志老師說，反演算法本來就是地球物理領域的重要技術，就像是把觀測對象拆解成一個個小方塊，根據不同位置、角度測量到得渺子數量，來推測每個方塊的密度。郭家銘老師在一旁開玩笑，說一般人對物理學家常有埋首計算的印象，沒想到這次合作下來，才知道地科系要懂的數學比物理系深不少。

經過了充分的測試後，團隊在2020年底開始現場探測的實驗。當時石門水庫的阿姆坪防淤隧道正在開挖，陳建志老師在現場做物理探查，剛好介紹團隊來施工現場探測。「這個隧道的鑽挖過程可能會遇到一段，地質上我們叫新店斷層的東西。新店斷層在阿姆坪這個位置的上方，有一層非常多的煤炭層，開挖過程會經常聚集沼氣，在工程上有高度危險。」陳建志老師說，隧道工程中有項作業叫前進探查，隨著隧道往前鑽挖，會持續探測前方岩體的材質。傳統的探查方式用的是力學波，但陳建志老師認為，渺子成像術有取代傳統方式的潛力，讓未來的隧道工程更加安全，便介紹團隊來到阿姆坪的施工現場，把探測器架設在開挖中的隧道前，持續測量渺子通過的數量。 

由於垂直方向的渺子穿過的只有大氣層，當探測器對準正上方，測量到的渺子數量最多，而隨著探測器仰角越來越低，渺子要通過的障礙就越多，測量到的渺子會越來越少，而水平方向通過的渺子則是最少的。阿姆坪的地勢比預期中更平，雖然不至於無法探測，但就得增加探測器的數量，否則就得把實驗天數拉長，才能取得足夠的數據。

除了實驗時間必需拉長外，實驗本身進行得相當順利，至今已不中斷進行三個月的實驗。高能物理的實驗通常在室內進行，溫度和濕度都被嚴格控制，郭家銘老師原本對戶外實驗帶有不安，也確實遇到了電力系統不足等問題，但團隊很快地一一解決，新型的探測器也成功挺過溫濕度的劇烈變化，在日夜溫差動輒二三十度變化、晴天午後突然雷雨的環境中持續運作，確實達到了實際應用的標準，為完善反演算法提供了充分的數據。

經過了阿姆坪的實地測試，整個研究的研發階段已經可以宣告結束，正式進入量產階段。目前團隊搭建的探測器面積是20cmx20cm，未來除了增加數量，也準備建造更大的探測器，到沙克爾頓計畫結束時預計可以做成目前四到六倍大，目標則是目前的一百倍大，讓團隊能更快地測量山體、變更地點，增加掃描山體的效率。也許再過幾年，替山和建築物照X光的技術將不再科幻，深藏在地表之下的岩層和礦脈，都將透過渺子成像術輕易地呈現在我們的眼前。

參考資料

• 穿透力十足的不速之客-渺子
• 郭家銘教授Chia-Ming Kuo: 渺子成像術於粒子地球科學之應用與下一世代的高能物理實驗