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反物質與狄拉克海——阿宅物理(1)

科學大抖宅_96
・2015/08/24 ・2130字 ・閱讀時間約 4 分鐘

就在不久前的2015年6月22日,第三使徒薩基爾(Sachiel)襲擊了第三新東京市,製造狄拉克海的第十二使徒亦將出現,人類面臨空前的危機……[1]。等等!看過<新世紀福音戰士>動畫的人,或許在心裡都曾有過這樣的疑惑:「狄拉克海?那是什麼?可以吃嗎?」然而,要解答這個問題,我們得回溯到上個世紀。

第12使徒。source:EVA第16集。
<新世紀福音戰士>裡製造狄拉克海的第12使徒。source:EVA第16集。

二十世紀初,物理學有了莫大的進展。愛因斯坦(Albert Einstein)先後提出了狹義與廣義相對論,革命性地改變了我們對於時間、空間和重力的認知。請各位回想在國、高中學習物理的經驗,你可能見過如下問題:

政客坐在以時速二十公里面對你駛來的車裡,你為了阻擋車子前進而以時速五公里正面飛撲到引擎蓋上(以上劇情純屬虛構,如有雷同實為巧合),那麼政客會覺得你用多少的時速撲上來?

先不論上述物理(或是情節)帶給你的痛苦回憶,愛因斯坦眉頭一皺,發覺這個問題並不單純:當車子與你均以接近光速移動時,答案就不是那麼顯而易見了—-因為除了閃電俠外,任何有質量物體的移動速率都不能等於或快過光速,政客也不該測到你以超光速飛撲而來。簡單來說,狹義相對論就是在處理此類議題——當物體運動極快、接近光速時的物理。

另一方面,從光電效應、氫原子結構等一連串的物理研究埋下根基,到薛丁格(Erwin Schrödinger)發表了著名的波動方程式,量子力學漸趨成熟。在那之前,只要討論到物體的運動(例如中學課本裡那些移動的火車),牛頓的運動定律必定會反覆出現。

然而,那些我們習以為常、但是背得要死的運動公式,在原子的世界裡並不適用。像那麼小的物體,我們必須用另一套方法,也就是薛丁格方程式來描述其行為。在量子力學的世界裡,所有物體(粒子)的能量都有同樣的最小單位量。以日常生活熟悉的卡路里為例,如果我們能夠量測出一卡路里的食物,我們就也可以找出兩卡路里的食物有多少;那麼,要量出1.5卡路里應該也不會是問題。甚至,只要儀器夠靈敏,我們應能測出1.44158卡和1.44159卡中間的1.441585卡。但是,量子力學跳出來說No!我們不能無限地分下去;小到一個地步就不能再分了——能量有不可分割的最小單位。一言以蔽之,量子力學講的是極微小物體的物理。

相對論與量子力學,被稱為近代物理學的兩大支柱,大大拓展了物理的疆界,讓我們從處理日常生活範疇的古典物理,更進一步開始有能力研究移動極快的、或者質量極小的物體。以簡單的示意圖表示,大致如下:

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你可能會忍不住狐疑、總覺得圖裡右上方有些缺憾。恭喜你!這也是接下來的物理學家嘗試解決的問題—-將相對論與量子力學結合。1928年,物理學家狄拉克(Paul Dirac)修改了薛丁格方程式,使其符合狹義相對論,而導出知名的狄拉克方程式。然而,此方程式仍存在著問題。當我們試著解開方程式時,無可避免會得到以下結論:

螢幕截圖 2015-08-24 18.34.29

其中E代表物體(質量極小的粒子)的能量、m為質量、c是光速,p則稱為動量,我們將其定義為螢幕截圖 2015-08-24 18.35.20,裡面的v表示物體的速度。你可以發現,當v是零、物體靜止時,我們會得到耳孰能詳的相對論公式E=mc2 。但問題在,如上式子一定會有一組解為AY0ZF7gJ7d3RBNbVkEdQbRBEPmNzKvFD40l_DQarhMQ,能量是負的!

負能量代表什麼意思呢?我們並不太清楚。就像腹部的肥肉只有增加的份,永遠不可能沒有、甚至比沒有還少一樣!於是,為了解決負肥肉負能量的問題,「狄拉克海」的概念被提出了。狄拉克假設,能量有正有負,就像地表有山有谷一樣,但是所有負能量的狀態都被粒子填滿了;亦即,我們其實生活在一個所有低於海平面的峽谷都被海水填滿的世界,只看得到海平面以上(也就是能量為正)的粒子。

但是,狄拉克海裡偶爾可能會出現泡泡,就像你在游泳時偷放屁那樣,又因為海平面是不變的,一旦少了負能量粒子去填補這個空洞,我們看上去就會以為是多了個正能量粒子(減掉-1會等於加上+1)—-為了方便,我們把這個少了負能量粒子的空洞稱為「反粒子(antiparticle)」。1932年,安德森(Carl Anderson)從宇宙射線的觀測中發現了「反電子(後來被稱為正子 positron)」的存在,狄拉克方程式的可靠性獲得證實。他們也因此分別得到1933與1936年的諾貝爾獎。然而,因為一些細節上的問題,狄拉克海的詮釋後來漸不再被使用,但反粒子、以及反物質(antimatter,由反粒子組成的物質)的存在卻是毋庸置疑了。

話說從頭,那麼在<新世紀福音戰士>裡,為什麼四號機在啟動機關發生意外後,展開的狄拉克海會讓整個「聯合國直屬特務機關NERV第二支部」及23778平方公里的內華達州消失不見呢?欲知詳情,待下回分解。

  •  註:[1] 動畫<新世紀福音戰士(Neon Genesis Evangelion)>的劇情。

參考資料:

  1. David Griffiths (1987) Introduction to Elementary Particles, 1st edition

 

相關標籤: 狄拉克海
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科學大抖宅_96
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在此先聲明,這是本名。小時動漫宅,長大科學宅,故稱大抖宅。物理系博士後研究員,大學兼任助理教授。人文社會議題鍵盤鄉民。人生格言:「我要成為阿宅王!」科普工作相關邀約請至 https://otakuphysics.blogspot.com/

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更人道及環保的肉類來源?——淺談「實驗室裡養的鮭魚片」

九姨_96
・2021/09/25 ・2832字 ・閱讀時間約 5 分鐘

那是個典型的炎熱的加州夏日,我剛剛從阿拉斯加釣鮭魚回來。這次的釣魚之行跟之前比不算成功,我的嚮導說,外海的商業漁船過度捕撈及氣候的變化,現在越來越少鮭魚回到河裡,他們擔心未來的魚只會越來越少。非常應景的,我一回來就訪談了一家在舊金山叫 Wildtype 的生物新創公司,他們成功在實驗室生產出鮭魚片。

這個公司是由心臟科醫師/細胞生物學家 Aryé Elfenbein 及耶魯商學院的 Justin Kolbeck 共同創立的。之所以成立這個公司,原因是 Aryé 在醫學領域見識到了,細胞全能性所帶來的可能,也看到了目前海洋及河川污然及過度捕撈的現況。而 Justin 則是因為在阿富汗的經歷,親身體驗過 food insecurity 這件事情有多麽嚴重,進而思考是否有辦法讓資源匱乏的地區也能夠獲得新鮮的食物。

在這樣的前提之下,讓他們重新思考,是否人類真的需要透過動物才能獲取肉?於是,他們在 2019 年一同成立了 Wildtype 這間公司,希望在這海洋、河川資源逐漸匱乏、到處都是塑膠微粒、重金屬的環境下,可以提供一個更永續、更安全、更人道的方式來獲取肉。

而當他們決定這個目標後,他們開始思考要往哪個方向去做,而最後選擇鮭魚主要有三個考量:第一,鮭魚是世界第二大的消費魚種,若能生產鮭魚,對於減少濫捕的會有顯著助益;第二,身為心臟科醫師的 Aryé 認為若要生產商品,也希望將世界帶到比較健康的方向去。富含 Omega-3 的鮭魚,將對大眾的健康更有助益;第三,鮭魚目前市場價格約在每磅 8 美元,比起每磅 1 美元的雞肉,鮭魚的市場價格能提供他們更多的研發空間。

Justin Kolbeck 與 Aryé Elfenbein。圖/作者提供

用「啤酒槽」養出鮭魚細胞?

美國人吃鮭魚,其實只有魚側面的兩塊菲力,其他的部分包括魚頭及內臟,大約有五成的魚體都會在處理後丟棄。於是 Aryé 與 Justin 思考,是否可以生產需要的部位就好?

答案是肯定的,而且其實製作起來更可行,生產魚片還是比生產魚頭來的單純很多。

實驗室鮭魚有兩個主要步驟,第一步在生物反應器(bioreactor)放大細胞數量。就像啤酒發酵槽,在生物反應器裡面放入細胞生長所需的最佳營養,並透過不間斷的打氣循環,讓細胞在裡面懸浮生長。

這個過程,細胞數量通常呈指數性的生長,短短幾週可以生長到萬倍之多。不過有一點要非常注意,整個細胞培養的過程必須是無菌狀態。如若不然,即使只是一個細菌、一顆黴菌孢子,在這麽營養的生長環境之下,也會跟著目標細胞一起被放大數萬倍。

像啤酒發酵槽的「生物反應器」。圖/Wildtype

第二步是讓細胞在支架裡生長。這裡他們利用植物纖維製作出支架,將細胞循軌跡生長,進而成為漂亮的魚片。不過我很好奇,那個鮭魚肉典型的白色紋理是怎麼做到的?Aryé 說那是脂肪細胞。

簡單來說,在生物反應器生長的這群細胞,就像是幹細胞一樣,尚未分化成不同功能的細胞[註1]。他們發現,透過改變支架的軟硬程度,及調整培養基的成分,可以誘導尚未分化的鮭魚細胞,分化成肌肉細胞或脂肪細胞,進而產生橘白相間的鮭魚肉。

培養出的魚肉品質如何?味道好嗎?

由於這個產品從收穫到包裝幾乎沒有時間差,我很好奇這個魚肉到底味道如何?一般市場買到的魚,即使處理得非常快速,還是跟現釣的相去甚遠,魚腮、黏液、內臟、血液,都會帶有腥味。Aryé 笑著說,沒錯啊就像現釣。

現在人其實非常少能接觸到極新鮮的魚,所以大家習慣的魚其實都是有點魚味的。所以他們在試吃的過程,很多人的反應都是他們的魚肉沒有味道,因此後來他們還特別去研究,增加一點空氣接觸,讓肉熟成一下,產生魚味。

關於保存期限,Aryé 表示,由於魚肉是在無菌狀態下生產的,所以非常非常耐放。他們目前還沒有做過完整的儲藏性實驗,但合作的廚師把他們的魚肉(未拆封狀態)放在冰箱一個月之後,吃起來還是超級新鮮。

甚至放置在室溫之下,目前的結果顯示幾天之內都不會腐敗。雖然仍需要更進一步的實驗,但如果結果屬實,短期運輸就能不需要冷鏈,除了降低運輸成本,也可以運送到冷鏈不發達的地區。

用鮭魚細胞培養的鮭魚片。圖/Wildtype

根據一篇 2019 年的訪問[註3],因為結構的問題,這個魚肉產品煮完會散掉,因此只能生食,在我看來這樣可能會降低消費者的購買興趣。Aryé 表示這點已經克服,只需要多培養一些時間,讓細胞間的結構比較扎實,就可以正常烹煮了。所以他們的產品現在可以做各種烹調法,不再局限於生食而已。同時,他們也正在規劃試吃間(tasting room),之後有進一步消息會再行公告。

潛在的吃素市場

我在進行這個訪問之前,先在我的個人臉書做了市調,結果反應最熱烈的是吃素的朋友。除了天生吃肉會過敏、一輩子要吃素的族群以外,很多人吃素是因為抱持著不殺生、不剝削動物、環境保護的原則。

雖然還有一些道德性的思考需要去界定到底吃鮭魚細胞算不算殺生,但普遍吃素的朋友都會願意去嘗試這樣的商品,並非常期待這樣的商品能夠趕快出現在市場上。

目前 Wildtype 的鮭魚,仍在小量生產的試驗階段,所以價格還是很高。目前做一盤六片的鮭魚握壽司,要價 50-100 美金。但他們很有信心,在持續的研發跟改良之後,他們最終希望售價可以降到一磅 10 美金左右,讓消費者可以在 Trader Joe’s(美國的平價超市)之類的商店輕鬆購買。

人造鮭魚還算是「魚」嗎?

目前 Wildtype 尚未拿到 FDA 核准上市的認證,因為這是一個非常嶄新的產品,法規和食品標準都尚未成形。但 Aryé 透露目前的溝通都算順利,他們被要求提供的資料及數據都算合情合理。

我繼續問,那這樣的商品可以被標示為鮭魚嗎?他說這個問題也在討論之中,但應該不會直接就寫鮭魚肉,畢竟和傳統捕撈的鮭魚不同,而且他們也希望告訴消費者這是鮭魚細胞製作而成,並不是源自於傳統的鮭魚。

但根據耶魯消費者中心的市調[註3],由於這個概念太新了,無論是「實驗室鮭魚」、「人造鮭魚」、「人工培養鮭魚」等等,目前並沒有一個名詞可以讓消費者馬上理解。

所以 Aryé 覺得最後可能會像 Impossible burger 那樣,在商品名稱下直接加一個描述句「使用植物製成的漢堡」。而他們公司希望可以在商品名稱 Wildtype salmon 之下,標註「本產品使用鮭魚細胞並在食物加工場域製作」。

最後,他也補充一個很有趣的點:根據他們內部的市調,成人消費者對於這個新概念很難理解,但五歲小孩們卻都能馬上領會。可見以人工培養鮭魚細胞對於下個世代而言是很自然的事。

文獻資料

  1. Wild Type’s Cell-Based Salmon Costs $200, But Not For Long
  2. Allan, S. J., De Bank, P. A., & Ellis, M. J. (2019). Bioprocess design considerations for cultured meat production with a focus on the expansion bioreactor. Frontiers in Sustainable Food Systems, 3. 44-44.
  3. Labeling the future: ______ salmon

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九姨_96
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九姨(Joy),留美園藝博士,副修食品。 現為加州最大草莓苗圃公司研究員。 閒暇時後喜歡做菜和寫文章,並刊載於個人粉專 Joy’s wild garden。
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