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覺得喘不過氣?當心氣胸找上門

careonline_96
・2019/12/04 ・1762字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 451 ・四年級

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  • 作者/劉育志 醫師
  • 本文轉載自 Care Online 照護線上《喘不過氣的女孩》,歡迎喜歡這篇文章的朋友訂閱支持 Care Online 喔!
圖\pixabay

門診即將結束時,電腦上又冒出一位初診患者。

「咦?怎麼還有人掛號?」我回頭看看時鐘。

護理師若婷正要確認時,門外便傳來急促的腳步聲。

「動作這麼快啊。」若婷起身開門。

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穿著套裝、高跟鞋,一身 OL 打扮的李小姐快步走進診間,上氣不接下氣地說:「掛號櫃台叫我趕快過來,幸好你們還沒離開。」

「醫生…我要做乳房超音波。」李小姐站著一邊喘,一邊說。

「有摸到異常腫塊嗎?」我問。

李小姐搖搖頭。

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「有乳癌家族史嗎?」

李小姐同樣搖搖頭。

我依序問了幾個與乳房相關的問題,並在病歷上做紀錄。

「為什麼會想要做超音波呢?」我問。

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李小姐坐了下來,不過還是有點喘,「因為我前天去給師父把脈……」

「把脈?」

「嗯,把脈完後他說有乳房腫瘤,叫我來檢查。」

「當時有檢查乳房嗎?」

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「沒有,他把脈就知道了。」

「欸……」我的手懸在半空中,不知該如何下筆。若因為這種主訴而安排乳房超音波,肯定會被健保審查委員大筆一刪,順便放大罰扣幾十倍。

當我還在考慮該怎麼回答的時候,李小姐問:「醫生,能夠今天做超音波嗎?」

「今天?」我面露難色,「沒辦法耶,剛剛問過放射科櫃台,乳房超音波最快大概要排到三個禮拜後。」

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「三個禮拜?!」李小姐一臉震驚。

「沒辦法,最近患者很多,所以要排比較久。」我道。

「那我可以去掛急診嗎?」

「恐怕沒辦法,乳房腫瘤沒有立即生命危險,急診應該不會受理。況且,急診室也沒有合適的機器可以替妳做乳房超音波。」

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「真的不能立刻做嗎?」李小姐哭喪著臉道:「我想我可能撐不到那個時候……」

「小姐,妳先別緊張……」我委婉地解釋:「一來,妳不見得有乳房腫瘤;二來,即使有乳房腫瘤,肯定不是今天長出來的,也不會在這麼短的時間內出現大變化。」

「可是,我真的愈來愈喘,愈來愈不舒服,所以才會臨時跟公司請假,趕過來看門診。」李小姐道。

「愈來愈喘……」原本我以為是方才急急忙忙的奔跑讓她上氣不接下氣,但是,經過這段時間的歇息,她的呼吸還是有點急促。

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「我就是覺得胸悶不舒服才去給人家把脈,聽他那樣說,我就掛了下禮拜的門診。可是今天覺得呼吸愈來愈不舒服,於是趕緊過來。」李小姐不死心地問:「其他醫院的乳房超音波也要排這麼久嗎?」

「小姐,妳先別說話,幫妳聽一下。」我從口袋裡拿出聽診器。她的呼吸聲完全符合我的預期。

見我放下聽診器,李小姐焦急地問:「有沒有很嚴重?能不能立刻做檢查?」

「小姐,我現在開單,妳立刻過去放射科。」我特別強調:「立刻!」

「太好了,謝謝醫師。」李小姐的臉上露出喜色。

我迅速輸入檢查代碼後,印表機便呼呼地開始運轉,「小姐,妳等一下要做的檢查不是乳房超音波。」

「什麼?」李小姐愣住了。

「妳需要去照張X光片。」

「是……乳房攝影嗎?」

「不是乳房攝影,是胸部X光。」我道:「讓妳胸悶不舒服的主因應該是氣胸。」

「氣胸?可是我想檢查乳房耶……」

「我們的胸腔裡有肺臟,肺臟由許多肺泡組成。」我在紙上畫了示意圖,「當肺泡破裂時,漏出的空氣會積在胸腔裡,讓人感到胸悶、呼吸不適。倘若沒有及時處理,愈積愈多的空氣使肺臟塌陷,將讓人喘不過氣,甚至可能危及生命。」

李小姐瞪大眼睛,完全說不出話。

「照完X光後,我們直接過去急診室,依妳的狀況應該需要趕緊插胸管引流胸腔裡的空氣。」我迅速說明了治療計畫。

這會兒,若婷已經準備好輪椅,道:「小姐,妳坐上來,我送妳過去。」

「我……我可以自己走……」李小姐有點遲疑。

「不要勉強,為了安全起見,還是坐輪椅吧。」聽完我的勸說,她才坐上輪椅。

「劉醫師,那我就順便把病歷帶過去囉。」若婷道。

「沒問題,我先請他們準備器械,待會兒急診室見!」

當我拿X光片跟李小姐解釋時,她依然半信半疑,直到插完胸管,延續多日的胸悶不適大大改善,她才相信問題真的出在肺臟。雖沒如願做到乳房超音波,但是既然撿回一條命,當然也就沒什麼好抱怨的了。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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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喜歡探索浪漫的事物; 比如宇宙、生命、文字, 還有你。(嘿嘿 _ 每天都過著甜甜的小日子♡(*’ー’*)

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來認識「躺著自轉」的天王星!——太陽系內唯二的冰巨行星
ntucase_96
・2021/10/31 ・2771字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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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。

航海家 2 號於 1986 年拍攝的天王星。圖/維基百科

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。

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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。

航海家 2 號(Voyager 2)即將跟隨它的前輩航海家 1 號(Voyager 1)離開太陽圈(Heliosphere)了。圖/NASA[3]

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。

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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。

太陽系各顆行星的自轉方向及轉軸,大多數的行星都像陀螺一樣、自轉平面與公轉一致,但是天王星卻是躺著的。圖/NASA[4]

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]

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圖/NASA [1]

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。

錢卓拉 X 射線天文台(Chandra X-ray Observatory)。圖/NASA [1]

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。

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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
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ntucase_96
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CASE的全名是 Center for the Advancement of Science Education,也就是台灣大學科學教育發展中心。創立於2008年10月,成立的宗旨是透過台大的自然科學學術資源,奠立全國基礎科學教育的優質文化與環境。

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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
科技大觀園_96
・2021/07/06 ・3396字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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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。

渺子是經由宇宙射線撞擊大氣層氣體分子後,由π介子衰變而來。圖/郭家銘教授、陳建志教授 提供

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。

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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。

渺子探測儀。圖/郭家銘教授、陳建志教授 提供

「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。

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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、陳建志兩位老師主持的渺子成像術應用計畫研究團隊。圖/郭家銘教授、陳建志教授 提供

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。 

探測器架設在阿姆坪開挖中的隧道前,測量渺子通過的數量。圖/郭家銘教授、陳建志教授提供

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。

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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。

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科技大觀園_96
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