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暗物質也許是量子真空所造成的錯覺

only-perception
・2011/08/17 ・1989字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 603 ・九年級


天文物理學中,最大的未解問題之一為:若僅考慮到現存重子(baryonic)物質(正常物質)的總量,星系與星系團(galaxy clusters)會旋轉的比預期快。快速運行所需中心質量,比鄰近恆星、塵埃以及其他重子天體所能提供的還要更大,這導致科學家提出,每個星系都處於非重子粒子所構成的暗物質的光環中(到目前為止仍不可偵測)。身為開始對暗物質(dark matter)起疑的眾多科學家之一,CERN 物理學家 Dragan Slavkov Hajdukovic 提出:「暗物質的錯覺(the illusion of dark matter)」也許起因於量子真空(quantum vacuum)的重力極化(gravitational polarization)。

我論文的關鍵訊息是,暗物質也許不存在,而歸因於暗物質的現象也許能以量子真空的重力極化來解釋,” Hajdukovic 表示。”未來的實驗與觀測將揭露我的結果只不過是(令人驚訝的)數值巧合或是一場新科學革命的浮現。”

如同他先前一項成為 PhysOrg 焦點、關於一個由物質與反物質相繼主宰之循環宇宙的研究,Hajdukovic 這一篇關於暗物質替代方案的論文也是一次嘗試,試圖在不需假設未知形態物質與能量存在的情況下,或不需假設未知暴漲以及物質–反物質不對稱的機制下,理解宇宙學的現象。在星系的快速旋轉曲線的例子中,他解釋,在理解這種現象上,目前有二個學派。

“第一個學派訴諸暗物質的存在,而第二個則涉及我們重力定律的修改,” 他說。”我提出第三種方法,不需要引入暗物質也不需要重力定律的修改。”

他的點子(如同先前論文中的那些)寄託在這個關鍵假設上:物質與反物質在重力上相斥(gravitationally repulsive),那是由於『粒子與反粒子有記號相反的「重力荷(gravitational charge)」』這個事實。(然而如同物質,反物質在重力上吸引自身)對於物質與反物質是否在重力上相斥,目前仍然未知,然而,有幾項實驗(最矚目的是 CERN 的 AEGIS 實驗)目前正在測試相關概念。

“考慮重力時,主流物理學假設,只有一種「重力荷」存在(以慣性質量 (inertial mass) 確認),但我假設,如同電磁交互作用的例子,這裡有二種「重力荷」:屬於物質的「正重力荷(positive gravitational charge)」,以及屬於反物質的「負重力荷(negative gravitational charge)」,” Hajdukovic 解釋。

若物質與反物質在重力上相斥,那便意味著以有限時間存在於量子真空中的虛粒子–虛反粒子對是「重力偶極(gravitational dipoles)」。此即,每一對粒子對形成一個系統,在其中,虛粒子有「正重力荷」,而虛反粒子則有「負重力荷」。在此情境下,量子真空包含許多虛重力偶極,採取偶極流體(dipolar fluid)的形態。

“我們能將我們的宇宙設想成二互相交互作用實體的聯集,” Hajdukovic 說。”第一個實體是我們的「正常」物質(因此我們不需要假設黑物質與暗能量的存在),沈浸在第二個實體 — 量子真空 — 中,那可想成不同種類的虛偶極,包括重力偶極,所形成的海洋。”

他繼續解釋,量子真空中的虛重力偶極能被鄰近重恆星與星系中的重子物質重力極化(gravitationally polarized)。當虛偶極排列時,它們能產生額外的重力場,那能與恆星及星系所產生的重力場結合。照這樣,重力極化的量子真空能在星系的旋轉曲線上產生相同的「加速」效應,既不需要假想的暗物質與暗能量,或是修改重力定律。

如 Hajdukovic 的解釋,藉由觀察一電場而非重力場引起的極化時會發生什麼事,可進而理解更強的重力場的效應。他給一個介電質板(dielectric slab)被插入平行板電容器(parallel plate capacitor)的例子,那導致板之間的電場減弱。減弱是因為相反記號的電荷會吸引彼此。但如果相反記號的電荷相斥而非相吸,那麼電場將會增強。回到量子真空的情境,因為相反記號的「重力荷」相斥,因此重力場的強度增加。

在他的論文中,Hajdukovic 亦提出方程式以支持這種情節,其中一個等式能計算從一星系的中央開始到不同距離時的重力極化效應,那與觀測相符(in good agreement with)。他亦導出著名的 Tully-Fisher relation,那是物質與反物質間,重力相斥所造成的後果。Tully-Fisher relation 是一種經驗法則,基於眾多星系與星系團之觀測所收集的數值資料,而且在暗物質假說的框架中,仍無法解釋。

總而言之,Hajdukovic 的提議與物理學家 Luc Blanchet 及 Alexandre Le Tiec 在過去幾年內所提出另一種概念截然不同。雖然那點子也涉及到重力偶極(而非量子真空中的虛重子物質)所組成的偶極流體,不過該偶極流體是一種新形態的暗物質。暗物質被重子物質(例如重恆星與星系)的重力場重力極化,那導致更強的重力場。換言之,Blanchet 與 Le Tiec 提出的暗物質屬於本質未知的重力偶極形態,能調解(reconcile)暗物質與修正牛頓力學(MOND)理論,那是一種重力的修改;另一方面,Hajdukovic 提出,量子真空中的虛重力偶極能導致更強的重力場。

最後,Hajdukovic 提到,在宣稱這種可能性是正確的之前,仍有許多研究需要完成。首先,星系的旋轉曲線並非唯一可由暗物質解釋的現象。宇宙微波背景的觀測、重力透鏡、超新星以及其他資料都能因暗物質的存在而獲得更好的解釋。由於許多科學家目前在研究暗物質與其他替代方案,Hajdukovic 希望新答案將持續被發現。

※ 相關報導:

* Is dark matter an illusion created by the gravitational polarization of the quantum vacuum?
http://www.springerlink.com/content/g332701735121773/

Dragan Slavkov Hajdukovic
Astrophysics and Space Science Volume 334, Number 2, 215-218,
doi: 10.1007/s10509-011-0744-4

資料來源:Dark matter may be an illusion caused by the quantum vacuum,By Lisa Zyga, August 11, 2011

本文原發表於作者部落格Only Perception

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only-perception
153 篇文章 ・ 1 位粉絲
妳/你好,我是來自火星的火星人,畢業於火星人理工大學(不是地球上的 MIT,請勿混淆 :p),名字裡有條魚,雖然跟魚一點關係也沒有,不過沒有關係,反正妳/你只要知道我不是地球人就行了... :D


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揭開人體的基因密碼!——「基因定序」是實現精準醫療的關鍵工具

科技魅癮_96
・2021/11/16 ・1998字 ・閱讀時間約 4 分鐘

為什麼有些人吃不胖,有些人沒抽菸卻得肺癌,有些人只是吃個感冒藥就全身皮膚紅腫發癢?這一切都跟我們的基因有關!無論是想探究生命的起源、物種間的差異,乃至於罹患疾病、用藥的風險,都必須從了解基因密碼著手,而揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。

揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。圖/科技魅癮提供

基因定序對人類生命健康的意義

在歷史上,DNA 解碼從 1953 年的華生(James Watson)與克里克(Francis Crick)兩位科學家確立 DNA 的雙螺旋結構,闡述 DNA 是以 4 個鹼基(A、T、C、G)的配對方式來傳遞遺傳訊息,並逐步發展出許多新的研究工具;1990 年,美國政府推動人類基因體計畫,接著英國、日本、法國、德國、中國、印度等陸續加入,到了 2003 年,人體基因體密碼全數解碼完成,不僅是人類探索生命的重大里程碑,也成為推動醫學、生命科學領域大躍進的關鍵。原本這項計畫預計在 2005 年才能完成,卻因為基因定序技術的突飛猛進,使得科學家得以提前完成這項壯舉。

提到基因定序技術的發展,早期科學家只能測量 DNA 跟 RNA 的結構單位,但無法排序;直到 1977 年,科學家桑格(Frederick Sanger)發明了第一代的基因定序技術,以生物化學的方式,讓 DNA 形成不同長度的片段,以判讀測量物的基因序列,成為日後定序技術的基礎。為了因應更快速、資料量更大的基因定序需求,出現了次世代定序技術(NGS),將 DNA 打成碎片,並擴增碎片到可偵測的濃度,再透過電腦大量讀取資料並拼裝序列。不僅更快速,且成本更低,讓科學家得以在短時間內讀取數百萬個鹼基對,解碼許多物種的基因序列、追蹤病毒的變化行蹤,也能用於疾病的檢測、預防及個人化醫療等等。

在疾病檢測方面,儘管目前 NGS 並不能找出全部遺傳性疾病的原因,但對於改善個體健康仍有積極的意義,例如:若透過基因檢測,得知將來罹患糖尿病機率比別人高,就可以透過健康諮詢,改變飲食習慣、生活型態等,降低發病機率。又如癌症基因檢測,可分為遺傳性的癌症檢測及癌症組織檢測:前者可偵測是否有單一基因的變異,導致罹癌風險增加;後者則針對是否有藥物易感性的基因變異,做為臨床用藥的參考,也是目前精準醫療的重要應用項目之一。再者,基因檢測後續的生物資訊分析,包含基因序列的註解、變異位點的篩選及人工智慧評估變異點與疾病之間的關聯性等,對臨床醫療工作都有極大的助益。

基因定序有助於精準醫療的實現。圖/科技魅癮提供

建立屬於臺灣華人的基因庫

每個人的基因背景都不同,而不同族群之間更存在著基因差異,使得歐美國家基因庫的資料,幾乎不能直接應用於亞洲人身上,這也是我國自 2012 年發起「臺灣人體生物資料庫」(Taiwan biobank),希望建立臺灣人乃至亞洲人的基因資料庫的主因。而 2018 年起,中央研究院與全臺各大醫院共同發起的「臺灣精準醫療計畫」(TPMI),希望建立臺灣華人專屬的基因數據庫,促進臺灣民眾常見疾病的研究,並開發專屬華人的基因型鑑定晶片,促進我國精準醫療及生醫產業的發展。

目前招募了 20 萬名臺灣人,這些民眾在入組時沒有被診斷為癌症患者,超過 99% 是來自中國不同省分的漢族移民人口,其中少數是臺灣原住民。這是東亞血統個體最大且可公開獲得的遺傳數據庫,其中,漢族的全部遺傳變異中,有 21.2% 的人攜帶遺傳疾病的隱性基因;3.1% 的人有癌症易感基因,比一般人罹癌風險更高;87.3% 的人有藥物過敏的基因標誌。這些訊息對臨床診斷與治療都相當具實用性,例如:若患者具有某些藥物不良反應的特殊基因型,醫生在開藥時就能使用替代藥物,避免病人服藥後產生嚴重的不良反應。

基因時代大挑戰:個資保護與遺傳諮詢

雖然高科技與大數據分析的應用在生醫領域相當熱門,但有醫師對於研究結果能否運用在臨床上,存在著道德倫理的考量,例如:研究用途的資料是否能放在病歷中?個人資料是否受到法規保護?而且技術上各醫院之間的資料如何串流?這些都需要資通訊科技(ICT)產業的協助,而醫師本身相關知識的訓練也需與時俱進。對醫院端而言,建議患者做基因檢測是因為出現症狀,希望找到原因,但是如何解釋以及病歷上如何註解,則是另一項重要議題。

從人性觀點來看,在技術更迭演進的同時,對於受測者及其家人的心理支持及社會資源是否相應產生?回到了解病因的初衷,在知道自己體內可能有遺傳疾病的基因變異時,家庭成員之間的情感衝擊如何解決、是否有對應的治療方式等,都是值得深思的議題,也是目前遺傳諮詢門診中會詳細解說的部分。科技的初衷是為了讓人類的生活變得更好,因此,基因檢測如何搭配專業的遺傳諮詢系統,以及法規如何在科學發展與個資保護之間取得平衡,將是下一個基因時代的挑戰。

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科技魅癮_96
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