《天能》與其中可能的物理學：對稱性、熵、馬克士威爾的惡魔

本文由 台灣感染症醫學會 合作，泛科學企劃執行。

• 審稿醫生/ 台灣感染症醫學會理事長 王復德

「好想飛出國～」這句話在長達近 3 年的「鎖國」後終於實現，然而隨著各國陸續解封、確診消息頻傳，讓民眾再度興起可能染疫的恐慌，特別是一群本身自體免疫力就比正常人差的病友。

全球約有 2% 的免疫功能低下病友，包括血癌、接受化放療、器官移植、接受免疫抑制劑治療、HIV 及先天性免疫不全的患者…等，由於自身免疫問題，即便施打新冠疫苗，所產生的抗體和保護力仍比一般人低。即使施打疫苗，這群病人一旦確診，因免疫力低難清除病毒，重症與死亡風險較高，加護病房 (ICU) 使用率是 1.5 倍，死亡率則是 2 倍。

進一步來看，部分免疫低下病患因服用免疫抑制劑，使得免疫功能與疫苗保護力下降，這些藥物包括高劑量類固醇、特定免疫抑制之生物製劑，或器官移植後預防免疫排斥的藥物。國外臨床研究顯示，部分病友打完疫苗後的抗體生成情況遠低於常人，以器官移植病患來說，僅有31%能產生抗體反應。

疫苗保護力較一般人低，靠「被動免疫」補充抗新冠保護力

為什麼免疫低下族群打疫苗無法產生足夠的抗體？主因為疫苗抗體產生的機轉，是仰賴身體正常免疫功能、自行激化主動產生抗體，這即為「主動免疫」，一般民眾接種新冠疫苗即屬於此。相比之下，免疫低下病患因自身免疫功能不足，難以經由疫苗主動激化免疫功能來保護自身，因此可採「被動免疫」方式，藉由外界輔助直接投以免疫低下病患抗體，給予保護力。

外力介入能達到「被動免疫」的有長效型單株抗體，可改善免疫低下病患因原有治療而無法接種疫苗，或接種疫苗後保護力較差的困境，有效降低確診後的重症風險，保護力可持續長達 6 個月。另須注意，單株抗體不可取代疫苗接種，完成單株抗體注射後仍需維持其他防疫措施。

長效型單株抗體緊急授權予免疫低下患者使用 有望降低感染與重症風險

2022 年美、法、英、澳及歐盟等多國緊急使用授權用於 COVID-19 免疫低下族群暴露前預防，台灣也在去年 9 月通過緊急授權，免疫低下患者專用的單株抗體，在接種疫苗以外多一層保護，能降低感染、重症與死亡風險。

從臨床數據來看，長效型單株抗體對免疫功能嚴重不足的族群，接種後六個月內可降低 83% 感染風險，效力與安全性已通過臨床試驗證實，證據也顯示該藥品針對 Omicron、BA.4、BA.5 等變異株具療效。

六大類人可公費施打 醫界呼籲民眾積極防禦

台灣提供對 COVID-19 疫苗接種反應不佳之免疫功能低下者以降低其染疫風險，根據 2022 年 11 月疾管署公布的最新領用方案，符合施打的條件包含：

一、成人或 ≥ 12 歲且體重 ≥ 40 公斤，且；
二、六個月內無感染 SARS-CoV-2，且；
三、一周內與 SARS-CoV-2 感染者無已知的接觸史，且；
四、且符合下列條件任一者：

(一)曾在一年內接受實體器官或血液幹細胞移植
(二)接受實體器官或血液幹細胞移植後任何時間有急性排斥現象
(三)曾在一年內接受 CAR-T 治療或 B 細胞清除治療 (B cell depletion therapy)
(四)具有效重大傷病卡之嚴重先天性免疫不全病患
(五)具有效重大傷病卡之血液腫瘤病患（淋巴肉瘤、何杰金氏、淋巴及組織其他惡性瘤、白血病）
(六)感染HIV且最近一次 CD4 < 200 cells/mm³ 者 。

符合上述條件之病友，可主動諮詢醫師。多數病友施打後沒有特別的不適感，少數病友會有些微噁心或疲倦感，為即時處理發生率極低的過敏性休克或輸注反應，需於輸注時持續監測並於輸注後於醫療單位觀察至少 1 小時。

目前藥品存放醫療院所部分如下，完整名單請見公費COVID-19複合式單株抗體領用方案。

• 北部

台大醫院(含台大癌症醫院)、台北榮總、三軍總醫院、振興醫院、馬偕醫院、萬芳醫院、雙和醫院、和信治癌醫院、亞東醫院、台北慈濟醫院、耕莘醫院、陽明交通大學附設醫院、林口長庚醫院、新竹馬偕醫院

• 中部

         大千醫院、中國醫藥大學附設醫院、台中榮總、彰化基督教醫療財團法人彰化基督教醫院

• 南部/東部

台大雲林醫院、成功大學附設醫院、奇美醫院、高雄長庚醫院、高雄榮總、義大醫院、高雄醫學大學附設醫院、花蓮慈濟

除了預防 也可用於治療確診者

長效型單株抗體不但可以增加免疫低下者的保護力，還可以用來治療「具重症風險因子且不需用氧」的輕症病患。根據臨床數據顯示，只要在出現症狀後的 5 天內投藥，可有效降低近七成 (67%) 的住院或死亡風險；如果是3天內投藥，則可大幅減少到近九成 (88%) 的住院或死亡風險，所以把握黃金時間盡早治療是關鍵。

• 新冠治療藥物比較表：

免疫低下病友需有更多重的防疫保護，除了戴口罩、保持社交距離、勤洗手、減少到公共場所等非藥物性防護措施外，按時接種COVID-19疫苗，仍是最具效益之傳染病預防介入措施。若有符合施打長效型單株抗體資格的病患，應主動諮詢醫師，經醫師評估用藥效益與施打必要性。

時事話題

NEWS｜近年來，「量子」成為科技領域最新的關鍵詞或流行語，量子科幻電影也不遑多讓，例如《蟻人與黃蜂女》、《復仇者聯盟 4》描述的世界和科技想像，皆連結量子的概念。

雖然科幻片吸引人的主因可能不在科學本身，或其採用的科學理論並不見得完全依循嚴謹的科學研究，例如時間旅行、超能力等。但不可否認那些關於科技的想像，已讓觀眾深深著迷，並啟發無限的想像力，而且說不定多年後，可能實現電影的情節。

熱門的量子科幻電影

經典的量子科幻片多，而且無法用古典物理學解釋裡面的部分元素，例如 1966 年《星艦爭霸戰》（Star Trek），描述艦長寇克與艦員，在 23 世紀的星際冒險故事，其後又衍生動畫影集和電影。

《星際爭霸戰》中，最引人注目的創意之一是傳送器，這是電影裡一種常見的近距離旅行的方式，能將人體或物質分解為量子，並將量子傳送到終點後重新組合。雖然只有在科幻片或魔術表演中可以看到傳送器現象，但傳送的概念與現在的量子遠端傳輸，其實有些異曲同工，只是量子傳輸只能傳送與複製訊息，而非物體本身。其他如 1985 年的《回到未來》系列影片也可說是跨時空傳送的想像。

2020 年上映， 英國與美國合拍的科幻動作片《天能》（Tenet），則是一部融入幾個科學幻想元素的電影。這部電影是大導演諾蘭（Christopher Nolan）的創新燒腦名作，如果沒有一點科學知識，很難一回就看懂整部電影的故事情節。

這部影片不僅在網路聲量高，引發熱烈討論，其中隱含的各種劇情，除了科幻片中常見的祖父悖論外，天能不斷地在多重宇宙間往復穿梭，此想法是基於多個量子位元的高維次，在空間中不斷往復式的操作。劇情複雜的程度，甚至連劇中演員也常不知到底在拍什麼，一直到電影剪接完畢才初步了解。

量子力學另一個重要的概念是量子糾纏。1990 年的《第六感生死戀》（Ghost）敘述一位被殺的男子，死後心有不甘而化為鬼魂， 與女友心電感應，並將謀殺他的幕後兇手繩之於法；2014 年上映、曾經在臺灣取景的法國科幻動作片《露西》（Lucy），主角露西是一個 25 歲的美國女子，居住於臺北市，她意外吸取抑制藥品後，大腦功能快速進化，可以產生心電感應及念力，甚至具有讀心術，可讀取他人記憶。

其他科幻片中也常用心電感應，例如《星際爭霸戰》中瓦肯人特有的心電感應能力，能透過觸摸他人臉部達成心靈相通，分享對方的意識、經驗、記憶及知識。心電感應是指不借助任何已知工具，而能將訊息傳遞給遠方另一個人的現象或能力，常被稱為第六感，至今尚無法以科學證實這種超級本能。

有些人喜歡把量子糾纏與心電感應連結在一起，主要是量子糾纏有遠距離的影響，而且一旦量子測量後，就出現相互影響，這些與心電感應的一些基本要素有些相似。然而，量子糾纏是嚴謹的科學，是可以控制而且可以重現的科學現象，這又與心電感應截然不同。

不過科幻影片喜歡呈現這種特殊能力，對這類科幻情節的喜好，也反映人類期待的未來世界的輪廓。近期臺灣的導演也有拍攝量子科幻影劇的計畫，例如周美玲導演的《Q18》作品，就將量子疊加、量子糾纏、量子量測，甚至量子不可複製性都融入劇情中。

量子穿隧效應

另一部很有意思的電影，是2018 年上映的《蟻人與黃蜂女》。劇情中，主角「鬼女」愛娃在一場意外後，身體出現量子的變化狀態，竟然可以穿過各種物體！ 

編劇以身體已成量子狀態，合理化愛娃可穿過任何物體，這是發揮科幻的想像力。但依據量子物理的「波粒二象性」，這其實不可能發生，因為以人類的尺寸的物質波，是無法在巨觀體系中被觀測到。為何這樣說？主要是物質波不是電磁波，也不是光速傳遞， 物質波是一種機率分布的概念。

若以一顆棒球而言，棒球快速飛行時，對量子世界而言，其質量太大，造成物質波的波長極短，一般的世界無法察覺波的特性，人的身體也是如此。然而，如果能把一個人分成無數個微粒原子，然後再讓這些原子同時發生量子穿隧效應，當原子穿牆過後，再重新把這些原子組合成人，用這種方式或許可以完成人體穿牆術。只是這些論述已經超越現在科學知識的理解。但在科幻片中，穿牆術的想像仍是觀眾的最愛。

如前面章節所說，量子是一種近代物理的概念，不是像棒球、乒乓球或電子、質子的粒子，它是用來描述電子或光子的能量特性。一個物理量如果存在最小且不可分割的基本單位，則這個物理量具有最小單元的整數倍關係，稱為量子化，並把最小單位稱為量子。

電子等微觀物質，有時會穿透原本理應無法穿透的障礙物。把障礙物想像成一道牆壁的話，電子應該像棒球一樣被牆壁反彈，可是在微觀世界，電子具有「波」的特性，可穿越牆壁這個障礙物， 以電子波的形式通過牆壁，這就是量子穿隧效應，而且不是只有電子才有這種鬼魅幽靈的穿隧能力。但質量愈大的物體，愈不容易發生穿隧效應，所以人類的身體或一顆籃球，雖然穿透牆壁的機率不是零，但與零相去不遠。至於質量極小的基本粒子，穿透牆壁的量子穿隧效應就大得驚人。

——本文摘自《我們的生活比你想的還物理》，2022 年 11 月，商周出版，未經同意請勿轉載。

本文轉載自 CASE 報科學 《【物理史中的十一月】1837 年 11 月 23 日：現代分子科學之父——凡得瓦（Johannes van der Waals）的誕生》

• 文｜蕭如珀、楊信男（臺灣大學物理學系）（譯自 APS News，2021 年 11 月）

1837 年 11 月 23 日：現代分子科學之父——自學成功的科學家凡得瓦（Johannes van der Waals）的誕生。

在《費曼物理學講義》中，廣為人知的是，費曼一開始便問，人類最應該為子孫保存的是哪一則科學知識，而他的答案是：所有物質皆由原子所組成。雖然這看起來顯而易見——事實上，原子的概念可追朔到古希臘時代——然而原子的存在直到 20 世紀一直都是科學家激烈爭辯的問題。提供世界由分子組成的觀點強而有力、令人信服證據的是凡得瓦（Johannes Diderik van der Waals），他原是一位荷蘭的小學老師，物理知識大都自學而得，然而他努力不懈，終成了現代分子科學之父。

這位後來的諾貝爾獎得主於 1837 年 11 月 23 日出生在荷蘭萊登市（Leiden, the Netherlands）一個困苦的木工家庭，是家中 10 個小孩中的老大。在當時，女孩和工人階級的男孩都無機會接受嚴謹的中等教育，因此，凡得瓦早期的教育只有閱讀、寫作和基本的算術，幾乎沒有接觸自然科學的機會。

凡得瓦 14 歲離開學校去當小學老師， 24 歲時當上小學校長。他渴望更多知識，所以利用閒暇時到當地萊登大學（Leiden University）上數學、物理和天文課程，卻因為入學許可規定要考拉丁文，數度被拒絕註冊為全職學生。後來荷蘭實施全面的教育改革，推廣中學教育制度，凡得瓦致力於要成為中學教師，終於當了 10 多年的物理老師。

隨著荷蘭教育政策進一步改革，取消大學入學考拉丁文的規定，開展了凡得瓦的世界，他很快地在萊登大學通過物理和數學的資格考試，開始他的博士學業。1873 年，他終於在 36 歲時獲得博士學位。

凡得瓦的博士論文《關於氣體和液體狀態的連續性》奠定了現代熱力學的基礎，終於讓他於 1910 年獲得諾貝爾物理獎。在論文中，他主張用一個統一的模型來說明氣體和液體的性質，後來成了知名的凡得瓦方程式：

（P + a/V² ）（V – b）= RT

在此，P, V, 和 T 代表物質的壓力、體積和溫度，a 和 b 是常數。

凡得瓦研究的重要性在於他調整理想氣體狀態方程式（PV = nRT），以涵蓋分子和分子間力，這種洞察力在當時分子的存在仍是激烈爭辯的議題來說，是很有遠見的，更不用說論及原子交互作用和彼此的施力了。為了表達對他的敬意，從那時開始，已被證明存在於分子之間的弱作用力都稱為凡得瓦力。

熱力學領域的巨人馬克士威（James Clerk Maxwell）在評論凡得瓦發表於《自然》（Nature）雜誌的論文時，很有先見地指出：「毫無疑問地，凡得瓦的名字很快地會被列在分子科學最前沿中。」雖然有這早來的讚譽，但凡得瓦成就所得到的認同卻來得緩慢，主要因為他的研究起初只以荷蘭文發表。直到 1877 年，凡得瓦的發現在廣泛流傳的德語雜誌《物理學年鑑》（Annalen der Physik）中被做了概述介紹後，物理界才完全明白此研究的創新本質，而激起一陣液體和氣體分子物理的研究熱潮。

因為此廣泛的讚譽，凡得瓦離開他中學物理老師的職位，接受了新成立的阿姆斯特丹大學（University of Amsterdam）的物理教授職。在被學術界拒於門外這麼久後，凡得瓦和他交往密切的同事凡特何夫（Henry van’t Hoff，第一屆諾貝爾化學獎得主）以及德富力（Hugo de Vries，開創性的遺傳學者）最終引領了新大學在荷蘭科學嶄新的黃金年代中脫穎而出。

凡得瓦隨後的成就包括對應狀態定律，此理論被視為氫和氦液化，以及接著於 1911 年發現超導性的基礎，還有早期的毛細管理論，以及二元混合物理論，其對於化學工程以及地球化學有著持續性的影響。凡得瓦也預見團簇化學和物理學的重要性，此領域的研究在最近數十年才漸熱門起來。

雖然有這許多成就，但凡得瓦是出了名的謙虛，這在他得諾貝爾獎演講的開幕詞時也許最為明顯：「現在我有此殊榮，在傑出貴賓雲集的場合討論我有關於氣體和液體本質的理論研究，我一定要克服我談論我自己以及我的研究時缺乏自信的狀況。」

凡得瓦很重視他的個人隱私。悲劇於 1881 年降臨他家，那年他太太安娜突然因肺結核病死，時年僅 34 歲，讓他極度心碎，爾後有十幾年沒有發表論文。他從未再婚，和 4 個小孩過著安靜的生活，女兒安妮持家，賈克琳是有名的詩人，約翰娜是老師，兒子約翰跟隨父親的腳步是當上物理教授。他有一位學生說：「名譽既未改變他的行為，也沒有改變他的習慣。」。

凡得瓦於 1923 年 3 月 8 日過世，享壽 85 歲，他的一生是面對逆境時堅毅的最佳榜樣。

「完全確定的是，在我所有的研究中，我深信分子確實存在，從未將它們視為是我想像的虛構之物，」凡得瓦曾如此說，「但是當我開始研究時，我感覺只有我有這樣的看法。」。