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負折射率物質論戰終告段落

科景_96
・2011/02/08 ・1299字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 589 ・九年級
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Original publish date:Apr 07, 2003

編輯 Chia-Chen Chang 報導

幾組物理學家陸續在今年年初發表的實驗結果,證實了負折射率物質的存在。

在材料的許多特性當中,介電常數(permittivity)與磁導係數(permeability)可以告訴我們電磁波與這個材料如何產生互動:如 Snell 定律、Cerenkov 輻射、Doppler 效應等等。介電常數與透磁率在一般的材料裡都是非負的,但 1964 年俄羅斯的物理學家 V. Veselago 把這兩個常數與與折射係數(refeactive index)一起改為負號,在這種假想的材料裡他發現電磁波的行為與在一般材料中的行為完全不同:比如說光行進的方向與能量傳播的方向相反、在假想材料與一般材料的介面上電磁波有完全相反的折射定律等等。 物理學家把這種材料稱為『左手物質』(left-handed material)#1,用以區分遵守一般光學定律的『右手』物質。

雖然左手物質的構想很有趣,但是自然界中並不存在這種材料。直到三年前加州大學 San Diego (University of California at San Diego, UCSD) 分校的 D. Smith 根據理論物理學家 John Pendry 在 1999 年的建議,利用以銅為主的複合材料首次製造出在微波波段具有負介電常數、負透磁率的物質。Smith 等人的實驗並沒有進一步驗證負折射率,因為他們的材料只在一維表現出左手性。(見本站報導)在 Smith 的實驗之後,有好幾位物理學家陸續在 Physical Review Letters 上發表文章對 Smith 的實驗結果表示異議,原因是他們認為左手物質將違反因果律、光速上限以及能量守恆的原理。

就在上個月,美國西雅圖 Boeing Phantom Works 的 C. Parazzoli 與加拿大 University of Toronto 電機系的 G. Eleftheriades 所領導的兩組研究人員分別發表了在微波波段負折射率物質的實驗報告。兩組科學家在實驗中直接觀測到了逆折射定律:折射發生的方向與一般物質完全相反。同時 Iowa State University 的 S. Foteinopoulou 也發表了左手物質的理論模擬結果。利用光子晶體做為介質,Foteinopoulou 在計算中發現電磁波波前(wavs front)遇到左手介質時折射並不會立刻就發生,而是在介面捕捉入射波前一段時間之後才出現折射波。他們認為這個延遲現象說明了波前的一端並不需要無限大的光速傳遞才能從一般介質到左手介質,因此左手物質並不違反光速上限與因果律等基本原理。

這些最新的理論與實驗結果替有關左手物質的爭論暫時劃下了一個句點,接下來的工作就是如何將這些新的材料應用在通訊系統以及資料儲存媒介的設計上,用來製造更小的行動電話或者是容量更大的儲存媒體。

#1:除『左手物質』之外,也有些人稱之為:Backward wave materials、Double Negative Materials (DNG)、Metamaterial 或者是 Negative Index of Refraction Materials(NIM)。

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原始論文:
1. Experimental verification and simulation of negative index of refraction using Snell’s law
C. G. Parazzoli, R. B. Greegor, K. Li, B. E. C. Koltenbah, M. Tanielian Phys. Rev. Lett., 90, 107401 (2003)

2. Growing evanescent waves in negative-refractive-index transmission-line media
A. Grbic and G. V. Eleftheriades Appl. Phys. Lett., 82, 1815(2003)

3. Refraction in media with a negative refractive index
S. Foteinopoulou, E. N. Economou, C. M. Soukoulis Phys. Rev. Lett., 90, 107402 (2003)

參考來源:

相關連結:

本文版權聲明與轉載授權資訊:

  • [Mar 30, 2007] 超級透鏡讓顯微鏡看得更清楚
  • [Aug 17, 2004] 聲波的負折射現象
  • [Apr 20, 2001] 負折射率的物質

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    為什麼越累越難睡?當大腦想下班,「腸道」卻還在加班!
    鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
    ・2026/04/30 ・2519字 ・閱讀時間約 5 分鐘

    本文與  益福生醫 合作,泛科學企劃執行

    昨晚,你又在床上翻來覆去、無法入眠了嗎?這或許是現代社會最普遍的深夜共鳴。儘管換了昂貴的乳膠枕、拉上百分之百遮光的窗簾,甚至在腦海中數了幾百隻羊,大腦的那個「睡眠開關」卻彷彿生鏽般卡住。這種渴望休息卻睡不著的過程,讓失眠成了一場耗損身心的極限馬拉松 。

    皮質醇:你體內那位「永不熄滅」的深夜警報器

    要理解失眠,我們得先認識身體的一套精密防衛系統:下視丘-垂體-腎上腺軸(HPA axis) 。這套系統原本是演化給我們的禮物,讓我們在面對劍齒虎或突如其來的危險時,能迅速進入「戰鬥或快逃」的備戰狀態。當這套系統啟動,腎上腺就會分泌皮質醇 (壓力荷爾蒙),這種荷爾蒙能調動能量、提高警覺性,讓我們在危機中保持清醒 。

    然而,現代人的「劍齒虎」不再是野獸,而是無止盡的專案進度、電子郵件與職場競爭。對於長期處於高壓或高強度工作環境的人們來說,身體的警報系統可能處於一種「切換不掉」的狀態。

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    在理想的狀態下,人類的生理時鐘像是一場精確的接力賽。入夜後,身體會進入「修復模式」,此時壓力荷爾蒙「皮質醇」的濃度應該降至最低點,讓「睡眠荷爾蒙」褪黑激素(Melatonin)接棒主導。褪黑激素不僅負責傳遞「天黑了」的訊號,它還能抑制腦中負責維持清醒的食慾素(Orexin)神經元,幫助大腦順利關閉覺醒開關。

    對於長期處於高壓或高強度工作環境的人們來說,身體的警報系統可能處於一種「切換不掉」的狀態 / 圖片來源:envato

    然而,當壓力介入時,這場接力賽就會變成跑不完的馬拉松賽。研究指出,長期的高壓環境會導致 HPA 軸過度活化,使得夜間皮質醇異常分泌。這不僅會抑制褪黑激素的分泌,更會讓食慾素在深夜裡持續活化,強迫大腦維持在「高覺醒狀態(Hyperarousal)」。 這種令人崩潰的狀態就是,明明你已經累到不行,但大腦卻像停不下來的發電機!

    長期的睡眠不足會導致體內促發炎細胞激素上升,而發炎反應又會進一步活化 HPA 軸,分泌更多皮質醇來試圖消炎,高濃度的皮質醇會進一步干擾深層睡眠與快速動眼期(REM),導致睡眠品質變得低弱又破碎,最終形成「壓力-發炎-失眠」的惡行循環。也就是說,你不是在跟睡眠上的意志力作對,而是在跟失控的生理長期鬥爭。

    從腸道重啟好眠開關:PS150 菌株如何調校你的生理時鐘

    面對這種煞車失靈的失眠困局,科學家們將目光投向了人體內另一個繁榮的生態系:腸道。腸道與大腦之間存在著一條雙向通訊的高速公路,這就是「菌-腸-腦軸 (Microbiome-Gut-Brain Axis, MGBA)」,而某些特殊菌株不僅能幫助消化、排便,更能透過神經與內分泌途徑與大腦對話,直接參與調節我們的壓力調節與睡眠節律。這種菌株被科學家稱為「精神益生菌」(Psychobiotics)。

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    腸道與大腦之間存在著一條雙向通訊的高速公路,這就是「菌-腸-腦軸 (Microbiome-Gut-Brain Axis, MGBA)」/圖片來源:益福生醫

    在眾多研究菌株中,發酵乳桿菌 Limosilactobacillus fermentum PS150 的表現格外引人注目。PS150菌株源於亞洲益生菌權威「蔡英傑教授」團隊的專業研發,累積多年功能性菌株研發經驗的科學成果。針對臨床常見的「初夜效應」(First Night Effect, FNE),也就是現代人因出差、換床或環境改變導致的入睡困難,俗稱認床。科學家在進行實驗時發現,補充 PS150 菌株能顯著恢復非快速動眼期(NREM)的睡眠長度,且入睡更快,起床後也更容易清醒。更重要的是,不同於常見的藥物助眠手段(如抗組織胺藥物 DIPH)容易造成快速動眼期(REM)剝奪或導致睡眠破碎化,PS150 菌株展現出一種更為「溫和且自然」的調節力,它能有效縮短入睡所需的時間,並恢復睡眠中代表深層修復的「Delta 波」能量。

    科學家發現,即便將 PS150 菌株經過特殊的熱處理(Heat-treated),轉化為不具活性但保有關鍵成分的「後生元」(Postbiotics),其生物活性依然能與活菌媲美 。HT-PS150 技術解決了益生菌在儲存與攝取過程中容易失去活性的痛點,讓這些腸道通訊員能更穩定地發揮作用 。

    在臨床實驗中,科學家觀察到一個耐人尋味的現象:當詢問受試者的主觀感受時,往往會遇到強大的「安慰劑效應」,無論是服用 HT-PS150 還是安慰劑的人,主觀上大多表示睡眠變好了。這種「體感上的進步」有時會掩蓋真相,讓人分不清是心理作用還是真實效益。

    然而,客觀的生理數據(Biomarkers)卻揭開了關鍵的差異。在排除主觀偏誤後,實驗數據顯示 HT-PS150 組有更高比例的人(84.6%)出現了夜間褪黑激素分泌增加,且壓力荷爾蒙(皮質醇)顯著下降,這證明了菌株確實啟動了體內的睡眠調控系統,而不僅僅是心理安慰。

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    最值得關注的是,對於那些失眠指數較高(ISI ≧ 8)的族群,這種「生理修復」與「主觀體感」終於達成了一致。這群人在補充 HT-PS150 後,不僅生理標記改善,連原本嚴重困擾的主觀睡眠效率、持續時間,以及焦慮感也出現了顯著的進步。

    了解更多PS150助眠益生菌:https://lihi3.me/KQ4zi

    重新定義深層睡眠:構建全方位的深夜修復計畫

    睡眠從來就不只是單純的休息,而是一場生理功能的全面重整。想要重獲高品質的睡眠,關鍵在於為自己建立一個全方位的修復生態系。

    這套系統的基石,始於良好的生活習慣。從減少睡前數位螢幕的干擾、優化室內環境,到作息調整。當我們透過規律作息來穩定神經系統,並輔以現代科學對於 PS150 菌株的調節力發現,身體便能更順暢地啟動睡眠開關,回歸自然的運作節律。

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    與其將失眠視為意志力的抗爭,不如將其看作是生理機能與腸道微生態的深度溝通。透過生活作息的調整與科學實證的支持,每個人都能擁有掌控睡眠的主動權。現在就從優化生活型態開始,為自己按下那個久違的、如嬰兒般香甜的關機鍵吧。

    與其將失眠視為意志力的抗爭,不如將其看作是生理機能與腸道微生態的深度溝通 / 圖片來源 : envato

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    肺部為何會「結疤」?揭開比癌症更致命的「菜瓜布肺」,科學家如何找到破解惡性循環的新契機
    鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
    ・2026/05/08 ・2041字 ・閱讀時間約 4 分鐘

    本文由 肺纖維化(菜瓜布肺)社團衛教 合作,泛科學撰文

    在現代醫學的警示清單裡,乳癌、大腸癌這些疾病大家都不陌生;但有一個「隱蔽且致命」的威脅卻常被忽視,那就是「肺纖維化」。其中最常見的類型「特發性肺纖維化」(IPF),其預後往往不太樂觀,確診後的五年存活率甚至比許多常見的癌症還低。

    首先,我們得先破解一個迷思:肺纖維化並不是單一疾病,而是許多種間質性肺病的共同表現。當我們聽到「肺纖維化」,腦中常浮現「菜瓜布肺」的形象,患者的肺部外觀充滿一個個空洞與疤痕,像極了乾燥的絲瓜。這精準描繪了肺部組織逐漸硬化、失去彈性的過程。

    更重要的是,IPF 這類肺纖維化的威脅在於「不可逆」的特性,一旦形成就很難逆轉。這跟部分 COVID-19 康復者身上、仍有機會復原的肺纖維化,是兩種完全不同的概念。

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    IPF 這類肺纖維化的威脅在於「不可逆」的特性,一旦形成就很難逆轉 / 圖示來源:shutterstock

    肺部為何會變成「菜瓜布」?

    為什麼好端端的肺會變成菜瓜布?這其實是一場身體修復機制失控的結果。

    「纖維化」的組織,就是肺部間質組織(interstitium)的疤痕化。間質是圍繞在肺泡周圍,包含血管與支持肺部結構的結締組織。在正常情況下,肺部損傷後會啟動修復機制,並再生健康組織。但在肺纖維化的患者體內,這套修復機制卻「當機」了。

    身體會不斷地發出訊號,導致負責修復工作的「纖維母細胞」(fibroblasts)被過度活化,進而失控地沉積膠原蛋白疤痕組織,最終在肺部形成永久性的纖維化。

    科學家發現,這個過程之所以棘手,在於它是一個「惡性循環」,肺部同時存在著「發炎反應」與「纖維化」這兩條路徑 ,它們相互加乘,演變成難以阻斷的強大破壞力。

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    雖然特發性肺纖維化 (IPF) 的具體成因不明 ,但已知某些特定族群的風險更高。例如抽菸,特定年齡與性別(50歲以上男性)、長期暴露於粉塵環境的工作者(農業、畜牧業、採礦業…)、胃食道逆流者。此外,患有自體免疫疾病(如類風濕性關節炎、乾燥症、硬皮症、皮肌炎/多發性肌炎,)的患者,他們併發肺纖維化的機率遠高於一般人,必須特別警覺。

    雖然特發性肺纖維化 (IPF) 的具體成因不明 ,但已知某些特定族群的風險更高。/ 圖示來源:shutterstock

    打斷惡性循環的挑戰,為何只對抗「纖維化」還不夠?

    面對這個不可逆的疾病,醫學界長年束手無策,直到 2014 年才迎來一道曙光。美國 FDA 批准了兩種機制不同的新藥:Nintedanib 和 Pirfenidone。這兩種藥物的出現是治療史上的分水嶺,首度被證實能夠「延緩」IPF 患者肺功能的惡化速度。

    然而,這場戰役尚未結束。現有的治療雖然帶來了希望,卻也凸顯了「未被滿足的醫療需求」。從機制上來看,這些藥物主要抑制的是「纖維化路徑」。

    這讓科學界開始思考這個未被滿足的棘手問題:既然疾病的本質是「發炎」與「纖維化」的雙重打擊,那麼,我們是否能找到「同時抑制」這兩條路徑的全新策略,從而更有效地打斷這個惡性循環?

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    找到同時調控「發炎」與「纖維化」的新靶點

    為了解決難題,科學家將目光鎖定在一個細胞內的酵素:磷酸二酯酶 4B(PDE4B)

    為什麼鎖定它?讓我們看看它的「雙重作用」機制:

    1. 關鍵位置: PDE4B 同時存在於免疫細胞(與發炎有關)與纖維母細胞(與纖維化有關)當中。
    2. 作用機制: PDE4B 的主要工作是降解細胞內一種叫 cAMP(環磷酸腺苷) 的訊號分子。cAMP 可以被視為細胞內的「穩定信號」。
    3. 雙重抑制: 當我們使用藥物抑制了 PDE4B 的活性,細胞內的 cAMP 就不會被分解,濃度會隨之升高。高濃度的 cAMP 能穩定免疫細胞和纖維母細胞,同時產生抗發炎抗纖維化的雙重效應。

    簡單來說,鎖定並抑制 PDE4B,就像是同時抑制了免疫風暴與纖維化的工程,有望從雙從抑制打擊這個惡性循環。

    全球臨床試驗帶來的新希望

    近十年來,全球在肺纖維化領域投入了大量的臨床試驗,我們相信,在科學家逐步破解肺纖維化惡性循環的複雜難題後,期盼未來能為無數患者爭取到更安全、健康的生活與未來。

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    最後,我們必須再次提醒,特發性肺纖維化(IPF)與漸進性肺纖維化(PPF)是極具破壞性、且不可逆的疾病。面對這個比癌症更致命的對手,雖然現有的治療手段能延緩惡化,但無法逆轉已經形成的肺部疤痕組織,因此「早期診斷、早期治療」仍是對抗肺纖維化最重要的黃金時刻。

    必須再次提醒,特發性肺纖維化(IPF)與漸進性肺纖維化(PPF)是極具破壞性、且不可逆的疾病。/ 圖示來源:


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    膝蓋卡卡只能等開刀換關節?從外泌體到基因療法,帶你搞懂「退化性關節炎」醫療大逆襲!
    PanSci_96
    ・2026/06/08 ・2112字 ・閱讀時間約 4 分鐘
    相關標籤: 外泌體 (2)

    本文由 AI 協助生成,內容經編輯審閱。

    你身邊有沒有抱怨「膝蓋痛」、「下樓梯無力」的長輩?或是你自己平常運動完,也覺得膝蓋有種卡卡摩擦的感覺?膝關節退化(Knee Osteoarthritis, KOA)可以說是骨科門診裡最常見的「國民病」。預計到 2026 年,全球將有高達 5.28 億人深受其害,影響全球約 23% 的 40 歲以上人口。在美國,骨關節炎每年耗費的醫療成本甚至高達 1,320 億美元,成為沉重的公共衛生負擔。

    過去,醫學界總覺得關節退化就像「老機器的齒輪磨損」,壞了就回不去了。治療方法也呈現高度的被動性:初期吃止痛藥、打玻尿酸,撐到最後真的不行了,只好挨一刀換上人工關節。這些被動「治標」的方法,無法改變疾病的進程,更無法讓壞掉的軟骨重新長回來。但好消息是,近兩年隨著再生醫學、基因療法與分子生物學的突飛猛進,醫療研發的終極目標,正式從單純的「症狀緩解」躍升為「疾病修飾(Disease-modifying)」與「全關節組織再生」。

    不只是單純的「老機器磨損」:重新認識你的膝蓋

    科學家發現,退化性關節炎不僅僅是因為你走太多路或年紀大導致的「機械性磨損」。現代醫學已經將其重新定義為一種結合「局部生物力學異常」與「系統性代謝與慢性發炎」的複雜微環境疾病。

    簡單來說,這就像是一個本來好好的生態系,因為長期的發炎反應和代謝出錯,變成了毒性微環境,讓關節裡的軟骨細胞不斷受損崩塌、軟骨下骨硬化,甚至長出骨刺。在這樣的嶄新理論框架下,科學家開始尋找能夠改變這個微環境、從根本修復關節的強大武器。

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    細胞與「無細胞」再生醫學:台灣生醫新勢力

    說到組織再生,最直觀的解法就是把具備更新能力的「活體細胞」直接打進關節裡幫忙修復,其中最具代表性的就是間質幹細胞(MSCs)。在這波浪潮中,台灣不僅沒有缺席,還走得非常前面。2024 年,台灣立法院三讀通過《再生醫療法》與《再生醫療製劑條例》(預計 2026 年全面施行),這讓台灣的細胞治療擁有了媲美美、歐、日的完善法規保障,更杜絕了體制外的密醫亂象。

    有了合規的道路,台灣本土生技展現了強大實力。例如台寶生醫(Taiwan Bio Therapeutics)憑藉低氧培養專利技術,開發出異體間質幹細胞新藥 Chondrochymal®。在嚴謹的單盲試驗達標後,更成功獲得衛福部食藥署(TFDA)核准進入第三期臨床試驗,未來更有望搶攻全球上百億美元的骨關節炎市場。

    不過,活細胞療法還是有它的極限,比如冷鏈運輸困難、製造成本極高。於是科學家轉念一想:不用整顆細胞,提取細胞分泌的「精華」不就好了?這就是引爆革命的「無細胞再生醫學」——外泌體(Exosomes)。外泌體就像是細胞間傳遞訊息的「奈米級快遞包裹」,裡面裝滿了促進生長和抗發炎的信號。美國生技公司開發的無細胞療法 Ultrasome™ 在早期試驗中取得了 93% 患者顯著改善的驚人成績;在台灣,亞東醫院團隊研發的「顧寧膝®療法」,利用特定胜肽刺激幹細胞分泌高純度外泌體,兼具抗發炎與促軟骨生成,更榮獲了國家新創獎的肯定!

    新藥與基因療法:逆轉退化,關閉疼痛開關

    如果細胞療法是派出修復部隊,那麼小分子新藥與基因療法就像是直接修改膝蓋的「出廠設定」。

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    目前備受矚目的突破性新藥之一是 Lorecivivint (LOR)。這是一種小分子標靶藥物,設計成每年只需注射 1 到 2 次的長效劑型。它能精準調控骨骼生長路徑並抑制發炎。更令人振奮的是,在長期的第三期臨床影像追蹤中,它實質上「逆轉」了關節結構的退化!這是醫學界首次透過單純注射藥物觀察到關節間隙寬度(JSW)劣化的實質停滯與改善。

    在疼痛管理上,名為 LEVI-04 的新藥也展現了破壞性創新。它直接從源頭阻斷「神經促營養素-3」,精準切斷痛覺信號在體內的傳遞。過去類似的強效鎮痛藥,常因病患「不痛了就過度使用關節」導致關節加速崩塌,但 LEVI-04 在跨國試驗中證明了它兼具強效鎮痛與保護關節結構的安全性,被權威期刊《刺胳針》視為未來的「遊戲規則改變者」。

    令人驚嘆的是,連基因與抗衰老科學也正式參戰。美國梅約診所(Mayo Clinic)成功利用病毒載體,將抗發炎的基因直接送進關節腔內的細胞裡。這等於是讓你的膝蓋細胞自己升級成「抗發炎藥物製造廠」,源源不絕地內建生產抗關節炎蛋白質。這項創舉成功將原本多用於罕見疾病或癌症的基因技術,跨足到了退化性疾病領域。

    結語

    從台灣日益完善的再生醫療法規、本土生醫產業的崛起,到國際上外泌體、小分子標靶新藥與基因療法的百花齊放,膝關節退化的治療正經歷一場史無前例的典範轉移。未來的我們,或許再也不需要默默忍受關節的疼痛,也不用苦苦等待換人工關節的那一天。醫療科技正在全速前進,準備把年輕健康、靈活自如的關節還給我們!

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    參考資料

    1. 台灣《再生醫療法》與《再生醫療製劑條例》法規資訊
    2. Creative Medical Technology Holdings Announces Positive Topline Results of Pilot Study using Ultrasome™
    3. Biosplice Therapeutics Submits New Drug Application to FDA for Lorecivivint
    4. LEVI-04 Phase 2 Clinical Trial Results in Knee Osteoarthritis (The Lancet)
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