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質子半徑的量子問題

科學人_96
・2014/03/11 ・1814字 ・閱讀時間約 3 分鐘

精確測量質子半徑的兩項實驗,得到了完全不一樣的數值,到底是量子電動力學仍不完備,還是我們忽略了什麼?

撰文/伯諾爾(Jan C. Bernauer)波爾(Randolf Pohl
翻譯/高涌泉

重點提要:

  • 一項測量質子半徑的新實驗發現,質子比預期來得小。
  • 這個情況意味著物理學家若不是不夠深入了解質子,就是還不夠澈底了解目前最精準的科學理論——量子電動力學。
  • 我們希望,這個較小的質子半徑數值能夠導致物理定律從根本進行修訂。

如果你一直以為科學家已經很了解質子,沒人能指責你錯得太離譜,因為質子畢竟是宇宙中物質最主要的成份、恆星熔爐的燃料。質子所帶的正電拉住了帶負電的電子而形成氫原子,在一個世紀前,對於這種現象的研究開啟了量子力學革命;現代物理學家則可以設法讓超高能量的質子對撞來產生像希格斯粒子這種奇異的東西。

但是對於質子的最新研究卻讓我們大吃一驚。我們兩人(伯諾爾與波爾)以及各自的實驗團隊,用了兩項互補的實驗,對於質子半徑做了至今最精確的測量。在實驗開始之初,我們以為所得到的結果只會讓已知質子大小的精確性提高一些而已,但是我們錯了。測得的質子半徑和已知半徑相差很大,這個差值是任一測量誤差量的五倍以上,意味著發生這種巧合的機率將小於10-6。

因此一定有什麼地方不對勁,若不是我們還不夠充份理解質子,不然就是我們並不了解這些質子精密測量實驗所使用的物理原理。我們進入宇宙深處,卻看到了異常現象,因此有很大的機會可以得知一些新東西。

欠缺的移位

我們的故事起於義大利的聖塞扶羅島,數十位物理學家在這座島上會面,討論的主題是如何更嚴格地檢驗物理學中(甚至於可說是一切科學中)最精確的理論——量子電動力學(quantum electrodynamics, QED)。

sm145-32QED 的歷史可追溯至1928年,當時狄拉克(P.A.M. Dirac)結合了量子力學與狹義相對論而得到今天所謂的狄拉克方程式。這是電磁現象的最佳理論,因為它可以完整描述光與物質如何交互作用。一個例子是,QED 可以用物理定律與基本常數(譬如電子質量)來說明原子結構。也因為如此,物理學家便利用簡單的原子如氫原子來檢驗 QED。他們能夠從理論去預測實驗的結果,誤差不超過10-12,實驗誤差也差不多就是這麼大。

我們兩人在聖塞扶羅島首次碰面。那時我們為了增進對於 QED 的了解,都正著手測量質子。當時對於質子最精密的測量來自某種實驗技術,伯諾爾的實驗改進了這種實驗技術,已經開始要探究質子的內部結構。

波爾的實驗團隊則用了全新的方法。他們研究的系統是一種奇異、沒有電子的氫原子型態,他們查驗了這個系統的能階細微移位,這個移位與質子大小密切相關。這種移位由已過世的藍姆(Willis E. Lamb)於1947年首次在正常的氫原子中測得。雖然物理學家仍然稱呼這種現象為「藍姆移位」(Lamb shift),但是他們已經了解它其實來自兩種不同的因素。

對於藍姆移位的第一項貢獻來自所謂的虛粒子,即在原子內部一下子蹦出來但又馬上消失的幽靈。科學家能夠用 QED 計算這些虛粒子如何影響原子能階,準確度極高。但是近年來,對於藍姆移位第二項貢獻的不準度已經開始限制科學家的預測能力。這第二項因素與質子半徑有關,也與電子奇特的量子性質有關。

在量子力學中,用來計算電子行為的是雲狀、散佈在原子內的波函數。波函數(更精確地講,是波函數絕對值的平方)描述了在某處找到電子的機率,而且它只有幾種特殊的形式,我們稱為原子態。

有些原子態(因為某些歷史原因它們稱為「S態」)的波函數在原子核的位置上有最大值,也就是說,我們在質子內部找到電子的機率不為零,而且這個機率會隨著質子半徑變大而增大。當電子跑到質子內部,電子所「感受」到的質子電荷(和電子位於質子之外相比)會比較小,因此質子與電子之間的整體束縛力會減低。

由於束縛力降低,使得原子最低能量態(即1S態)的藍姆移位改變了0.02%。這個比例或許看起來微不足道,但是科學家已經把原子基態(1S態)與第一激發態(2S態)之間的能量差測得非常精確——誤差在數個10-15而已。因此如果我們想用精密實驗來查驗 QED 理論,當然必須把質子半徑造成的極小效應考慮進來。

過去八年,波爾的實驗團隊已經試著要把質子半徑精確量出來,但是在聖塞扶羅島第一次會議時,實驗似乎還無法上軌道,讓大家感到疑惑。

這時,伯諾爾的團隊正要開始澈底研究質子半徑;他的方法並不依賴氫原子能階的測量,反之,他們把電子射向氫原子,看它們如何散射開來,以推算出質子半徑。

SA原文:The Proton Radius Puzzle

刊載於《科學人》2014年第145期3月號

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當學名藥的價格殺紅了眼,還能確保藥物品質嗎?——《謊言之瓶》

臉譜出版_96
・2021/06/24 ・3520字 ・閱讀時間約 7 分鐘
  • 作者 / 凱瑟琳.埃班  (Katherine Eban)
  • 譯者 / 高子梅

二○○五年十二月 賓州卡農斯堡(Canonsburg)

原廠藥不管在製造上有多複雜和多困難,都必然得遵守自己的一套祕方,譬如:混合十五分鐘,形成顆粒,噴霧處理直到成分含水量達到百分之四,再混合三十分鐘。但要製造出一款仿製版的學名藥,就需要另外想出一套祕方,理想上這套祕方必須能更快地製造出產品,且能產生類似藥效。而這種逆向工程都是交由化學工藝師在處理。

在化學工藝師的圈子裡,拉吉夫.馬利克堪稱是佼佼者。在旁遮普省待過眾多實驗室的他,擁有六十幾項逆向工程的工藝專利。他在蘭伯西待了十七年,一路爬了上來,當上配方研發和法規事務的負責人。對於收拾實驗室裡的災難,他也是經驗老到,譬如蘭伯西專治青春痘的學名藥 Sotret 藥效全無的那件事。他後來說是因為他的同僚們選擇繼續銷售有瑕疵劑型,這種「不理性之舉」促成了他離職的決定。他在二○○三年六月提出辭呈。

把一個 A-B-C-D-E-F-G 的八步驟化學合成法改成 G-C-B-F,不是個簡單的任務。這套配方必須要有成果,而且這個成果得經得起監管機關的檢驗和專利權律師的法律質疑才行。馬利克從事的工作就是找到對策解決別人解決不了的問題。說話像機關槍、個性樂觀的他有一張溫暖的笑臉,一頭花白的椒鹽色頭髮,話裡習慣夾雜著幾句髒話。

馬利克離開蘭伯西的時候,正逢美國仰賴印度公司幫非洲製造廉價藥物的當口。也因此顯著的改變隨之而來。印度公司開始將觸角探進美國市場,美國公司也將他們的營運作業遷往印度,這一切都發生在一個像有渦輪推進器一樣的全球化市場裡,而這種市場最倚重的就是馬利克的特殊長才。

他離開蘭伯西的兩年半後,就當上了矩陣實驗室的營運長。這家公司位在海德拉巴,是某位印度實業家所創辦。他在蘭伯西的一些同事也跟著他跳槽。他們合力將矩陣實驗室打造成全球第二大活性成分製造商,尤其專注在 PEPFAR 所採購的 AIDS 藥物上。在那裡的馬利克其實是高居在一種全新生態體系的頂端位置,而這體系是靠西普拉的尤蘇夫.哈密德博士對這世界做出保證後才被創造出來的。印度藥廠可以用便宜的價格製造出大量的有效藥物,並遵守西方監管機關所要求的優良藥品製造標準。

要說印度公司是如何完成此壯舉?印度科學界裡著名的傳道人古納特.阿南特.馬謝卡博士(Raghunath Anant Mashelkar)提出了一種說法:印度的科學家很擅長重新思考舊有的流程,將它們改造得更有效率,因為他們的工程能力很強,而且都經歷過貧困的生活。馬謝卡說這種成果就是所謂的「甘地式創新」(Gandhian innovation)。甘地的基本信條之一是科學的創新是為了公眾利益。馬謝卡認為是印度資源的缺乏逼得他們不得不發展出一種「聰明的做事方法」,才能靠較低的成本為更多人服務。

但有些人還是認定印度公司位在食物鏈的底層,靠著別人嘔心瀝血的研發和創新成果所剩下來的殘羹剩飯為生。但馬謝卡認為,「價格負擔得起」不代表「品質比較差」。它通常也代表「更好」的意思。在矩陣實驗室裡,馬利克傑出的成就令人矚目。沒多久,西方世界就自動找上門。

位在阿帕拉契山脈的學名藥公司邁蘭實驗室(Mylan Laboratories)是道地的美國公司。一九六一年,兩名戰地軍醫在西維吉尼亞州白硫磺泉鎮(White Sulphur Springs, West Virginia)一處廢棄的溜冰場上創辦這家公司,向來以道德思想著名,就像創辦者之一邁克.普斯卡(MikePuskar)所闡述:「要嘛把它做對,要嘛就不要做。」它的旗艦工廠位在西維吉尼亞州的摩根城(Morgantown),占地二十二英畝,堪稱全球最大的藥廠之一。它的重要性和規模之大,使得 FDA 幾乎經常出現在那裡。誠如那本邁蘭所贊助的書《邁蘭:五十年不落俗套的成功》(Mylan:50 Years of Unconventional Success)所詳述的,FDA 調查員會站在樓梯上面,伸出戴著白色手套的手指劃過製造設備的外殼(法規要求所有設施表面都必須乾淨無塵)。公司高層看見戴著手套的指頭仍「潔白如新」,才終於舒了口氣。

圖/Amazon

這家工廠會要求技師一定要講究細節。準員工得先看一部十五分鐘的影片(內容跟製藥無關),再接受測驗,回答影片中看到什麼:第一個出現什麼?第二個又是什麼?「在 GMP(優良藥品製造標準)的環境裡,你希望他們是照著指示的方法在做事。」凱文.科拉爾( KevinKolar)解釋道,他是製造技術支援部的前任副總。「萬一有誰犯錯,調查就會上門。」

任何負責任的製藥商都會設法降低犯錯的風險。不過二○○五年年底的時候,邁蘭的執行長羅伯特.寇里(Robert Coury)面臨到一個未知變數:邁蘭的市占率正在被印度藥廠攻城掠地,後者都是自行製造活性成分,以最低的成本在生產。相反的,邁蘭則是向中國和印度的供應商訂購活性成分,所以價格上根本打不過印度公司,除非它也加入它們,走向世界。

寇里只好求助邁蘭的其中一家成分供應商:矩陣實驗室。二○○五年十二月,他在新澤西州的候機貴賓室與矩陣的董事長碰面,兩人在一張餐巾紙上喬出一樁交易。邁蘭於是成了買下上市印度公司的第一家美國公司。二○○七年一月結案的這樁交易,賜給了邁蘭一個全球的平台。不過邁蘭從這次收購裡所獲得的最大資產也許是拉吉夫.馬利克本人,後者成了邁蘭的執行副總,負責全球技術營運。他帶來了幾位以前跟他在蘭伯西一起打拚、很靠譜的團隊成員。

在邁蘭,他成了美國管理團隊的一分子。寇里旁邊坐的是營運長希瑟.布雷施(HeatherBresch),她是當時西維吉尼亞州民主黨州長喬依.曼欽(Joe Manchin ,現在是美國的資深參議員)的女兒。印度人和美國人都喜歡把矩陣和邁蘭的合併作業形容成天衣無縫的結合。誠如邁蘭贊助的那本書所寫到的:「布雷施和寇里在看矩陣的團隊時就像在看鏡子裡的邁蘭一樣:他們有同樣的企圖心,一樣工作認真、品質至上。」交易一完成,「我們就開始說一樣的語言,」馬利克說道。在他們第一場的慶功宴上,大夥兒全都在吃印度菜。邁蘭多數的高層從小吃慣大魚大肉,從沒嘗過印度食物。

不過這兩個團隊之間的差異,終究還是跟他們出身的世界一樣完全不同。在印度,學名藥公司是市場上的明星,股價的一舉一動都會成為商業新聞的焦點。但在美國,學名藥公司的運作相對默默無名。馬利克在匹茲堡的醫生社區裡安頓下來時,才驚覺到,「X 的根本沒有人知道邁蘭是什麼東東。」

而馬利克以前的老闆跟現在老闆兩者之間,一個重要的差異就在於對品質的要求態度上。理論上,監管為嚴格市場製造藥物的公司,全都在一個靠成本、速度和品質構成的三角框裡運作。而在這三個要素裡,品質理當是固定不動的點,它的條件是由法規來訂定。製程必須透明、可以反覆進行、可以接受調查,不容許任何異常或偏差。但是這些學名藥製造商所面臨到的巨大壓力是他們必須降低成本,而且還要加快開發的速度,才能搶先提出申請。因此他們必須思索的是:能把成本砍到多低?還有可以趕在品質開始變差之前,把開發的速度加到多快?

在這個產業裡,有些人說要完全遵守像美國這種監管嚴格的市場所要求的優良藥品製造標準,成本至少得多出百分之二十五才可能能辦到。而這就讓那些公司陷入了兩難。要是一根無菌拖把得花四塊美元(比一般拖把貴很多),而且一天通常就要用掉九根拖把,那該怎麼辦?要是你的顧客要的是單一劑量四分美元的疫苗,可是製造成本卻是單一劑量四十分美元,又該怎麼辦?不過整個核心問題在於學名藥的營運模式。如果一個一天成本高達十四塊美元的原廠藥得在第二天變成成本只有四分美元的學名藥,要怎麼維持住品質呢?誠如馬利克本人所承認,這樣的落差「不可能激勵你去多做投資」以維持住優良的製造品質。

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