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這杯重水喝起來甜甜的,我可以再來一杯嗎?

羅夏_96
・2021/05/04 ・2848字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 557 ・八年級

水是我們賴以生存的重要物質,想必大家都對水的化學式 H2O 不陌生。不過從技術上來說,地球上的水並非都是由 H2O 組成。普通水 H2O 也稱為「輕水」,但除了輕水之外,自然界還有「重水」。近期有研究指出,雖然輕水和重水的外觀都是透明無色,但人可以分辨出重水的味道,因為它嚐起來有些許甜味[1]

輕水和重水的外觀都是透明無色,但人可以分辨出重水的味道。圖/Pexels

氫的同位素

要說明「重水」之前,得先聊聊同位素。同位素是指同一種化學元素中,具有不同質量數的原子(質子數相同,但中子數不同)。

氫有三個同位素,分別是氕(元素符號 H)、氘(元素符號 D)和氚(元素符號 T)。氕是最常見的氫,由 1 個質子形成的原子核,周圍有 1 個電子包圍;氘是以 1 個質子和 1 個中子形成原子核,周圍覆著 1 個電子;氚則是 1 個質子和 2 個中子形成原子核,周圍覆蓋 1 個電子。

氫的三種同位素。圖/Heavy Water Ice Cubes Do Not Float

普通水由氕構成,就是最常見的 H2O。若由氘構成的水,化學式為 D2O。氘由於質量較氕重,讓 D2O 的質量也 H2O 重,因此 D2O 又被稱做重水。D2O 在化學性質上與 H2O 基本沒有差異,但氘也因質量較重,讓重水的物理性質如密度比正常水高約 10%,其凝固點和沸點也比正常水略高一點點[2]。另外比起正常水,D2O 的氫鍵註1較強一點點。

輕水和重水的化學式。圖/Heavy Water Ice Cubes Do Not Float

重水對人體有影響嗎?

重水在自然界的含量是正常水的 6,400 分之一,因此人每天都會攝入微量的重水。少量的重水對我們的健康無害,但如果你想長期飲用純重水,可能就不是甚麼好主意了。

動物實驗顯示,當大鼠長期飲用純重水使體內的重水含量達到 50% 時,其細胞分裂會被抑制,這使得需要快速細胞增生的組織出現壞死,最終導致大鼠死亡。

重水喝起來不一樣?

重水在 1930 年代被發現後,就一直有個有趣的傳聞:重水和一般水味道不同,有些許甜味。而由以色列的兩位生化學家 Natalie Ben Abu 和 Philip E. Mason 所領導的研究團隊,就對這個傳聞展開探討。

研究團隊首先找來 28 位志願者,想了解他們是否能區分重水和普通水。研究人員將買來的商業重水純化後,給予受試者兩滴重水和一滴普通水(或者反過來),然後請他們分別以嗅覺和味覺來辨別這三滴水是否有異。

在嗅覺測試中,25 人中只有 9 人能辨識重水。但在味覺測試中,28 人中有 22 人能辨識出重水(受試者表示有淡淡的甜味)。而在塞住鼻子的味覺測試中,超過一半的人能辨識出重水,這顯示舌頭上的味覺受體確實能捕捉到重水的微妙甜味。接著研究人員發現,隨著普通水混入重水的比例增加,受試者品嘗到的「甜味」也會增加。另外,重水也能增加其他甘味劑如葡萄糖的甜味。

(a) 重水的比例越多,受試者能嚐到的甜味也越多。(b) 重水能增加葡萄糖的甜味。圖/參考資料 1

研究人員接著想了解,小鼠是否也能分辨重水。儘管小鼠喜歡喝糖水,但牠們飲用普通水和重水的量是一樣的。這顯示小鼠並不像人,能感知到重水產生的甜味。不過研究團隊表示不感意外,畢竟有些甘味劑如阿斯巴甜,人類可以嚐出甜味,但小鼠不能。

(a) 小鼠喝普通水和重水的量沒有差異。(b) 小鼠喝糖水的量比普通水高。圖/參考資料 1

甜味與甜味受體

既然講到甜味,那得先簡單聊聊人類的味覺是怎麼產生的。

味覺是舌頭上的味蕾接受到食物的刺激後,將刺激轉換為神經訊號並傳至大腦所產生的一種感覺。味蕾是由味覺細胞、基底細胞和支持細胞組成。味覺細胞的頂端有許多纖毛,毛上則分布很多味覺受體。當特定的味覺受體與特定的分子結合後,味覺細胞會產生訊號,讓連接著味蕾的神經將此訊號傳至大腦,進而產生不同味覺。

味蕾的構造。圖/維基百科

目前研究發現,人類的甜味受體由兩種蛋白質共同形成,其中一種是 TAS1R2,另一種是 TAS1R3。能與甜味受體結合並讓味覺細胞產生訊號的物質,則被稱為甘味劑。

重水能活化甜味受體

回到這篇研究,根據上面的結果,研究團隊推測重水可以刺激味覺細胞中的甜味受體,讓人嚐到甜味。

為了驗證這個想法,研究團隊設計出能表現甜味受體 TAS1R2/TAS1R3 的細胞,並觀察重水是否能刺激甜味受體。結果顯示重水確實能刺激 TAS1R2/TAS1R3。另外,加入甜味受體的抑制劑,也確實能封鎖重水對 TAS1R2/TAS1R3 所產生的刺激。這顯示重水確實能與甜味受體結合並刺激其產生訊號,讓人嚐到甜味。

重水能刺激甜味受體,而這個刺激會被甜味受體抑制劑 (lactisole) 封鎖。圖/參考資料 1

研究團隊根據分子動力學模型,發現甜味受體和正常水與重水之間的相互作用有輕微的差異,而正是這個差異,讓重水能刺激甜味受體。研究團隊推測造成這種差異的原因在於,重水的氫鍵比普通水略強。不過他們也表示需要更深入的研究,才能確認重水之於甜味受體的結合部位和作用機制。

雖然我們現在知道重水也能產生甜味,但重水顯然不是實用的甘味劑。不過當我們更了解重水與甜味受體的作用後,或許能提供甜味分子更廣闊的可能,甚至能以此設計出新型的人工甘味劑!

最後,文章雖沒對超重水進行實驗(畢竟要純化超重水的成本極高!)。然而若重水的甜味真的是源於氫鍵較強,那麼超重水的氫鍵也比普通水強,或許也帶有淡淡的甜味。照這樣說,近期沸沸揚揚的福島核廢水,若經淨化後只帶有氚水(超重水),或許嚐來是甜的?不過我想,恐怕不會有人想嘗試吧~

註釋

  1. 氫鍵:氫鍵是一種分子間偶極 – 偶極作用力,或者說其實是一種特殊的靜電作用。氫鍵是由兩個陰電性大的原子與處在其中間作為橋樑的氫原子所組成。氫鍵對於生物高分子尤其重要,蛋白質的二、三和四級結構和 DNA 的雙股螺旋結構,氫鍵都是穩定這些結構的重要原因。

參考資料

  1. Ben Abu, N., Mason, P.E., Klein, H. et al. Sweet taste of heavy water. Commun Biol. 4, 440(2021). 
  2. 重水
  3. Heavy Water Ice Cubes Do Not Float. mathscinotes. 2014/2/23

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羅夏_96
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同樣的墨跡,每個人都看到不同的意象,也都呈現不同心理狀態。人生也是如此,沒有一人會體驗和看到一樣的事物。因此分享我認為有趣、有價值的科學文章也許能給他人新的靈感和體悟


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既是科學家,也是樂團鼓手!──專訪數學物理學家程之寧

研之有物│中央研究院_96
・2022/03/11 ・5978字 ・閱讀時間約 12 分鐘

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位。

  • 採訪撰文|郭雅欣、簡克志
  • 美術設計|林洵安、蔡宛潔

在學術與搖滾的多重維度上行走

還記得美劇《The Big Bang Theory》嗎?劇中常常出現的物理名詞「弦論」,是描述物理世界基本結構的理論。中央研究院「研之有物」專訪院內數學研究所程之寧研究員,她正是研究弦論的科學家,也是熱愛音樂的搖滾樂團鼓手,這種跨領域身份並不衝突,兩邊都需要創造力與紀律。由於天生斜槓的性格,讓程之寧在數學和物理領域大展身手,透過數學的深入探討,她試圖將弦論更往前推進。最近程之寧更跨足到人工智慧領域,為學界提供理論物理上的貢獻。

中研院數學所程之寧研究員,主要研究 K3 曲面(特殊的四維空間)的弦論,她發現模函數和有限對稱群之間有 23 個新的數學關聯,稱之為「伴影月光猜想」(Umbral Moonshine)。圖/研之有物

萬有理論和難以捉摸的「月光」

世界從那裡來呢?物理世界的本質是什麼呢?回答這樣的大哉問,一直是理論物理學家所追求的目標。從牛頓力學(日常應用)、廣義相對論(探討很重的物質)到量子力學(探討很小的物質),隨著物理學不斷發展,我們似乎一步步接近答案,但至今卻還未走到終點。

舉例來說,如果有個東西很重又很小,就像「黑洞」,或是大爆炸時的宇宙,我們要怎麼用數學描述?於是科學家試圖整合廣義相對論和量子力學,找出所謂的「萬有理論」(Theory of Everything)──能完全解釋物理世界基本結構的核心理論。

程之寧研究的「弦論」就企圖發展成這樣一個萬有理論。弦論一如其名的「玄妙」,它設定宇宙所有的粒子都是由一段段「能量弦線」所組成,每一種基本粒子的振動模式不同,產生不同的粒子特性。

「人類一直以來的夢想之一就是,如果能用一句話解釋所有事情,那該有多麼美好。」中研院數學所研究員程之寧說道。

程之寧的研究牽涉到數學上的「月光猜想」(Moonshine)與弦論中 K3 曲面的連結。月光猜想是存在於模函數係數與特殊群之間的數學關聯,程之寧與其研究夥伴共發現了 23 個新的關連,並稱之為「伴影月光猜想」(Umbral Moonshine)。

基於弦論的假設,我們的世界是十維的,除了人們在日常生活中可以感知到的 3+1 維(空間+時間),還有六維是因為尺寸太小而無法用肉眼觀察的,這些看不到的維度影響著物理世界,最終也產生了我們這個物理世界所需的各種條件與特性。

綜觀程之寧的研究,橫跨了物理與數學兩個領域,她笑稱自己「天生斜槓」。在學術上,程之寧原先喜歡文學,之後卻走上數理研究的道路;在音樂上,程之寧喜愛搖滾樂,至今仍在自己的樂團裡擔任鼓手。

她如何看待自己一路走來的各種轉折?游徜在數學與物理之間,她又對這兩個領域的連結有怎樣的體會?在與「研之有物」的訪談中,程之寧侃侃而談她的經歷、想法,以及對學術研究的熱忱所在。

在弦論的設定中,宇宙所有的粒子都是由一段段「能量弦線」所組成,每一種基本粒子的振動模式不同,產生不同的粒子特性。圖/iStock
  • 請問您是如何對數學及物理產生興趣?從何時開始?

一開始考大學時,其實我想去念中文系(笑)。不過,因為我高中是選理組,而且只念了一兩年,對文科考試比較沒把握,加上對工程科系沒興趣,最後就選擇臺大物理系就讀。

後來發生兩個轉折,第一個是我很認真的去修了大學中文系的課,結果發現真的沒有想像中容易。第二個就是我發現物理系的課還蠻有趣的,像量子力學和相對論,讓我覺得還想再多學一點、多知道一點。

我開始覺得如果念完臺大物理系就停下來,好像有一種小說沒讀完的感覺,所以就想繼續讀碩士班。那時還沒有覺得自己會走上學術研究的路,單純抱著想把故事看完的想法。

  • 後來是如何接觸到弦論?弦論是如何引起您的興趣?

後來我去荷蘭念碩士,指導教授是諾貝爾物理獎得主 Gerard ’t Hooft。他其實蠻不認同弦論,但他對於如何處理量子力學與相對論很有興趣。

當時 ’t Hooft 教授在建議我碩士題目時就說:「你也知道我不太認為弦論是一條正確的道路,不過聽說弦論最近真的在量子重力這一塊有一些成果。不如妳去讀一讀,看看是不是真的有一些東西在那裡,也可以比較一下其他量子重力理論。」

在我很認真的比較各個量子重力理論之後,就變成弦論派了(笑)。’t Hooft 教授對此也保持開放態度,他有幾個不錯的博士生後來也變成弦論學家,之後我在 Erik Verlinde 的指導下念博士時,就完全以弦論為研究主題了。

  • 研究理論物理會影響您對現實世界的理解嗎?

蠻多人會問我說,妳學了量子力學,是不是就會比較了解這個世界不是非黑即白?或問我量子力學跟宗教是不是有關?可是我覺得我分得很開,我不會去做這樣的連結,我還是活在現實裡,走路時大部分都在專注於自己不要跌倒之類的。

如果真的要講,我蠻感激我們的存在,因為我所學的東西讓我知道這是沒有必然性的。我們能這樣以一種人形的很奇怪的生物的形式存在,然後在這樣一個環境過一輩子,是機率很低的事情,而且我還蠻開心我是當人,而不是奇怪的阿米巴蟲或外星生物!有些人會從這裡連結到宗教或轉世,但我不會,我就停在這裡。

  • 來談談您的研究,伴影月光猜想與 K3 曲面弦論之間是什麼關係?

弦論中有很多的可能性,我們可以挑選特定的四維,然後假設這四維空間是個 K3 曲面。例如說,我們可以把兩個甜甜圈乘起來,在上面做特殊的奇異點,來製造出一個 K3 曲面。這個曲面有一些很有趣的對稱性。從弦論的角度來講,我們可以透過這個過程,找出一個解釋為何有伴影月光猜想的框架。

「把維度乘起來」這個概念很難想像,但這在數學上是成立的。我舉例一個我們能想像的「乘起來」:如果有一個空間是一條線,另一個空間是一個圓,乘起來就變成一個圓柱形,從一個方向剖面可以切出圓,另一個方向則切出線。而在數學上,不管幾維,能不能在紙上畫的出來,都可以這樣操作。

程之寧向「研之有物」採訪團隊解釋「把維度乘起來」的概念。圖/研之有物
  • 如何透過計算,發現捉摸不定的「月光」?

有時候這看似湊巧,一個數學上的函數正好就是弦論某個問題的答案。但其實並不是真的那麼巧,弦論看起來很有彈性,好像什麼都可以解釋,但它其實有非常多結構及限制。

當我在計算一個弦論理論時,它的內部結構可能原本就具有某些特定的性質,然後我再去觀察數學中,有這樣性質的函數可能就只有一兩個,只要再初步算一下,就能知道哪一個是答案。弦論學家日常的計算常常是這樣的,所以這是巧合嗎?是也不是。

  • 您曾經發現 23 個新的伴影月光猜想,您對這類題目特別有興趣嗎?

我覺得數學有兩種,有些數學家喜歡系統性的事情,就像蓋房子一樣,在數學裡建造一個很美麗、非常有系統性的結構,可以把很多事情都放入這個結構來理解。

另一種比較少數的,就是喜歡獵奇,去收集分類奇奇怪怪的特殊東西,例如有這些性質的函數在哪裡?可能你算出來就是 5 個,你也不知道為什麼。月光猜想很明顯就屬於這一類。

兩種的樂趣感覺是不一樣的,我覺得應該都很棒,但我可能是屬於偏好獵奇的這種。

  • 您的研究連結了物理上的弦論與數學上的月光猜想,您怎麼看待這兩個知識體系的互動?

弦論是一個需要很多數學理論配合的物理理論,它是一個有點繁複的框架,我們什麼都要會一些,才能看懂這個理論。當你把許多不一樣的學門的知識加起來,有時候就會在某一個學門──例如幾何──有意想不到的收穫。

弦論在數學上也扮演探索與找尋新方向的角色,讓數學家有新的發現。雖然最後數學定理的證明還是得仰賴傳統數學方法,但在這二三十年間,我們一直從弦論身上找尋數學研究的新方向或有趣的猜想,看到了弦論與數學之間的互動。

數學家有兩種,一種人喜歡建立美麗又有系統性的結構,另一種人喜歡尋找和收集奇怪特殊的數學物件(比如函數),程之寧表示自己屬於後者。圖/研之有物
  • 剛才一開始提到,您高中只念了一兩年,是因為對學校沒有興趣嗎?

其實我一直都覺得上學很無聊。我小時候臺灣教育和現在很不一樣,一班 50 幾個人,老師必須盡量軍事化管理,大家最好都一模一樣,比較好管理。我和學校一直處於互相磨合的狀況,我自認已經努力配合學校,但學校一直覺得我在反抗,這可能是一個認知上的差別。

舉例來說,我小學的時候不想睡午覺,可是老師說大家都一定要睡午覺,不睡午覺的人要罰抄課文,所以我早上到學校時就會把已經抄好的課文交給老師。我覺得我這樣做是在配合老師的規定,可是以老師的立場會覺得我在反抗,學校教育中我遇到了很多類似的情況。

還有就是不喜歡高中的升學氛圍,同學和老師好像都只有一個活著的目標,就是「考大學」。我當時無法習慣升學氛圍,感覺好像活在平行宇宙一樣。

  • 高中休學後,您去唱片行工作,可否談談當時的想法?

我國中開始聽音樂,這是我除了看書之外的重要興趣,我也很快就喜歡上了搖滾樂。高中休學的時候,我唯一的謀生技能可能就是我對音樂的各類知識吧!所以我就去了唱片行,這是唯一一個我會做又有興趣的工作,還好那時候還有很多唱片行(笑)。

  • 對音樂的熱忱,讓您與朋友共組了樂團,並擔任鼓手。您是否比較過樂團生活和學術研究之間的異同之處?

有些人覺得我這樣很跳 tone,但我自己覺得還好。音樂和學術都是我發自內心覺得好玩的東西,兩者也有相同之處,例如它們都需要創造性,也都有需要了解的框架。數學需要嚴謹的證明,音樂演奏也需要遵循結構,例如不能掉拍。

音樂領域還有一點和數學類似──玩樂團的圈子也是以男性為主。我們樂團則是只有一個男生,其他都是女生,可能我真的天生對框架有點遲鈍,玩團之後才發現:「怎麼大家都是男生?」

程之寧表示,學術界仍有許多性別不平等問題未受重視。圖/研之有物
  • 也就是說,目前數學學術圈仍是男性主導,在研究路上,您有因為性別而感受到一些衝擊或眼光嗎?您怎麼面對?

有。那感覺很明顯,日復一日地要去面對,尤其是年紀還比較輕、還必須每一天去證明自己的能力的時候,特別有感。

我遇到時的反應就是,在心裡暗罵一句髒話,然後繼續做我要做的事。我不會想改變別人的想法,感覺那是浪費時間,就算環境給我的阻礙是這樣,我還是繼續去做該做的事。

可是有些事情沒那麼簡單,現在我也當過老師,有時候會看到年輕女生在學術界因為性別而被欺負,或遭到不公平待遇、甚至騷擾。

對此我感到心痛,覺得為何我們學術領域還是這樣的狀況?甚至為什麼性騷擾至今還是一個議題?可以確定的是,學術界許多性別不平等問題未受到重視。

  • 您現在已經有傑出的研究成果,還會因為性別而遭受質疑嗎?

我現在比較會遇到一個狀況反而是來自學生的質疑。我在荷蘭阿姆斯特丹大學教書時,有時候學生會因為我是女教授,而且我的外表在許多歐洲人眼中看起來就像小妹妹,所以比較容易去挑我的毛病。

在課堂上,下面坐的可能都是男學生,只有一兩個女學生,那個氣氛就會變得很奇怪。例如說偶爾會聽到學生評論我的身材或樣貌。

我有和其他一些在歐洲或美國的女性教授聊過這樣的問題,似乎不少人都有類似的不太愉快的經驗。感覺不是很好。

  • 看到您最近的研究和人工智慧(AI)有關,為何會想往這個方向發展?

我有兩個動機。一個就是我真的想深入了解人工智慧。我也可以像普羅大眾,看看 AI 下圍棋,讚嘆「哇!好厲害!」這樣就好,可是我覺得我一定可以真的去理解它,這可能就是數學家的自大吧!

另一方面,我知道對科學研究來說,未來 AI 將會是一個非常重要的工具。這是「在職訓練」的概念,我可能會用到這個新工具,或以後我可能會需要教這樣的課,因為學生是下一代的科學家。因為這些原因,我覺得我需要去訓練自己使用新的工具。在我的領域裡,也有一些有趣的、還沒被解答的科學問題,是 AI 有可能幫得上忙的,我看到了一些潛力。

  • 弦論和 AI 感覺差距很大,AI 也可以應用到弦論的研究嗎?

乍看之下,弦論的確比較抽象,也不像其他許多實驗會產生大量數據。但其實弦論有大量的可能性,我認為使用 AI 來在這些巨量的可能性當中搜尋特別有趣的理論,是一個有潛力能夠加深我們對弦論理解的新的研究方法。

而且 AI 的應用絕不僅限於巨量資料。如果是面對一些比較新的挑戰,在沒有現成的演算法可以用的情形之下,可以自己做出需要的功能嗎?這過程我覺得也非常很有趣,而且應該是會有成果的一條路。這種不是那麼顯而易見的事情,我覺得很有挑戰性,也蠻好玩的。

除了用 AI 來幫助物理跟數學的研究之外,我也試著物理研究當做靈感來源,找出新的 AI 的可能性,我覺得這也是一個很有趣的研究方向。我現在有和 AI 的學者合作,嘗試做出一些創新的演算法,真的還蠻有趣的。

  • AI 對您而言是全新的領域,您如何面對跨領域遇到的門檻?

一開始會覺得真的要去碰這個新的領域嗎?其實現在也還是偶爾會有這樣的懷疑。我在弦論領域可能已經是專家,但去了一個新的領域,我學得不會比二十歲的人快,要怎麼去跟人家競爭?是不是在浪費時間?

但也會想,與其想這麼多,不如先做再說。到目前為止我做了兩年多,感覺還蠻好的,我有學到東西,也有做出小小的貢獻。

其實我還蠻感激有這樣的學習機會。對我來說當科學家最大的好處就是,去搞懂一個新的東西就是工作的一部分。當科學家雖然蠻辛苦,但就結果論來說,我還蠻開心能當一位科學家!

延伸閱讀

  1. Moonshine Master Toys With String Theory | Quanta Magazine
  2. Mathematicians Chase Moonshine’s Shadow | Quanta Magazine
  3. 林正洪教授演講 一 怪物與月光(Monster and Moonshine),《數學傳播》

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研之有物│中央研究院_96
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研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。 網頁:研之有物 臉書:研之有物@Facebook