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正反物質湮滅與陽電子砲—— 阿宅物理(2)

科學大抖宅_96
・2015/09/15 ・2678字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 577 ・九年級

前一回,我們討論了第十二使徒製造的狄拉克海[1]以及反物質——但仍存在一些未解的謎題:為什麼四號機啟動S2機關發生意外後,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呢?

為了解釋這個現象、並滿足內心的阿宅魂,我們得更深入地從反物質的特性開始探索。假設,我們對狄拉克海裡能量為-E的電子施予2E的能量,使它的能量增加到+E,如下圖:

原本空無一物(負能量的狄拉克海我們看不到) → 能量-E的電子得到2E,變成帶能量E,並遺留能量-E的空洞。
原本空無一物(負能量的狄拉克海我們看不到) → 能量-E的電子得到2E,變成帶能量E,並遺留能量-E的空洞。

依上篇文章所述,狄拉克海裡的空洞,在我們看來會是正能量的反粒子——但故事還沒結束!因為電子帶負電,一旦海裡少了電子的負電,我們只會覺得是多出了正電(請記住,減掉-1會等於加上+1)。換言之,只要是帶電的粒子,它的反粒子永遠都是持相反電荷!同時,根據之前的方程式E2-m2c4=p2c2,不管是正能量抑或負能量的解,都是共用同一個m,也就是說,粒子與其反粒子帶有相同質量

現在先總結一下:我們給予了2E的能量,不但得到了一個能量E、帶負電的電子(右圖上方的藍點),還附送能量E且帶正電的反電子(又稱為正子,右圖下方海裡的空洞),天底下有這麼好康的事嗎?

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物理學家告訴你,不但有,還一定必須如此:我們付出兩單位能量,也收穫兩單位能量,這個過程遵守能量守恆定律;原本的狄拉克海我們看不到電荷,現在則有了一正一負的電荷,總電荷保持不變,遵守了電荷守恆定律。[2]

不過,就像精彩的電影總要留伏筆,上述故事也暗示了驚人的事實:能量可以憑空產生一對正反粒子!我們或許聽說過原子彈的原理,就是利用愛因斯坦的著名公式E=mc2(能量=質量×光速平方),將質量轉換成巨大的爆炸能量;反過來說,其實能量也可以轉換成質量(只不過,能量E至少要等於產生的粒子質量m乘上c2才行),就像我們剛才把能量換成一對正反電子——質量與能量間可以互相轉換。喔傑克,這真是太神奇了!

最後,作為故事的結局,所有粒子都有相應的反粒子——它們在反物質的世界都有自己的雙胞胎同伴。只不過,有些粒子獨來獨往慣了,不喜歡有另一個自己:它要當自己的反粒子。以光為例,我們把組成光的粒子稱為光子(photon),它是自己的反粒子、一人分飾兩角。日常生活中,這其實也並不那麼難理解,例如:

典型的亦正亦反:布袋戲裡的黑白郎君 (出處:天地風雲錄之魔戮血戰第34集)
典型的亦正亦反:布袋戲裡的黑白郎君
(出處:天地風雲錄之魔戮血戰第34集)

至於四號機啟動S2機關,和NERV第二支部的消失,究竟又跟前面所述有什麼關係?根據狄拉克海的示意圖,試著想像:當能量E的電子(除了動能外,電子的質量也算在能量E裡面),回到海洋的空洞中會發生什麼事呢?沒錯,我們會觀察到電子與正子相結合、消失、並釋放出2E的能量,這也就暗示NERV第二支部的命運了。

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我們肉眼所見的所有物體都是由原子構成,原子又包含了原子核(由質子和中子組成)與環繞其外的電子。當質子、中子和電子與它們的反粒子相遇,大多數都成了能量、以光的形式散發;少部份則透過更複雜的作用轉變成其他諸多粒子。無論如何,都不會是原本的物體型態。

換句話說,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,已經完全消散在世界中,並留存在我們心底。物理上,我們將此慘絕人寰事件正反粒子結合並產生光或其他粒子的過程稱為湮滅(annihilation),跟蘇軾念奴嬌(赤壁懷古)「檣櫓灰飛煙滅」的煙滅不是同一件事[3]

如果各位常接觸日系科幻動漫、電玩,可能曾看過「陽電子砲」一詞,顧名思義,即為以發射陽電子(正子的日文用法)作為攻擊手段;而一旦被大量的正子打中,下場怕是相當悽慘(很恐怖,不要問)。

<新世紀福音戰士>裡的陽電子砲(出處:TV版第6話)
<新世紀福音戰士>裡的陽電子砲(出處:TV版第6話)

But!人生最厲害就是這個But!既然宇宙中有粒子組成的物質、也有反粒子組成的反物質,閒不下來的努力不懈、懷抱著好奇心與求知慾的科學家便不禁要提出疑問:「這樣的話,為什麼我們的世界幾乎都是由物質組成的呢?而反物質卻如此稀少(有見過的朋友請舉手)?」對此,有幾種可能的解釋:

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  • 或許在宇宙其他角落,有著由反物質組成的世界。然而,根據天文學的觀測,目前我們並沒有發現這樣的證據。
  • 宇宙誕生的時候,物質就是比反物質要多一點。而當大部分的正、反物質湮滅之後,剩下的就是我們今日所看到的宇宙—-幾乎由物質組成,反物質只在非常稀少的狀況下得見。
  • 宇宙最初擁有同樣數量的正、反物質,但是在成長的過程中,因為一些特殊的條件與作用,使得物質在某個時期產生得比反物質來得多,以致於形成我們現在的物質宇宙。
  • 其他。等你來作答!
物質與反物質湮滅並產生光子。(圖片來源:奧勒岡大學課程網頁)
物質與反物質湮滅並產生光子。(圖片來源:奧勒岡大學課程網頁

很顯然的,這個問題的答案將可以更幫助我們理解宇宙的生成與發展。現已有許多學者致力於提出可靠的理論,希冀能解決這個問題。而我們也將第三點裡產生物質多於反物質的過程,分別稱為「baryogenesis(暫譯:重子始源)」與「leptogenesis(暫譯:輕子始源)」。

至於,為什麼分成這兩個名稱?重子與輕子又為何?這就要從物質的結構說起。讓我們休息片刻,晚點將在之後的文章為您揭露。

<新世紀福音戰士>裡,初號機使用陽電子步槍。(出處:TV版第6話)
<新世紀福音戰士>裡,初號機使用陽電子步槍。(出處:TV版第6話)

參考資料:

  1. David Griffiths (1987) Introduction to Elementary Particles

備註:

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  • [1] 動畫<新世紀福音戰士(Neon Genesis Evangelion)>的劇情。
  • [2] 能量守恆定律告訴我們,能量不能憑空產生或消滅,只能在不同形式間轉換;電荷守恆定律則說,電荷不能憑空產生或消滅,正負電荷的總和永遠必須一致。所以在我們的例子裡,正電和負電得要同時出現。
  • [3] 這裡必須強調,狄拉克海雖是容易理解的圖像,但因一些細節問題,在理論上我們已不再使用狄拉克海的詮釋。

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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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小鼠研究指「間歇性禁食」可延年益壽——重點不在總熱量,延長用餐間隔才是重點!

台灣科技媒體中心_96
・2021/10/24 ・2679字 ・閱讀時間約 5 分鐘

2021 年 10 月 18 日,國際期刊《自然醫學》(Nature Medicine)公開的一篇研究論文,探討飲食模式和改善生理健康之間的關係。研究將小鼠總共分為五組:(1)自由取食、(2)限制 30% 的熱量攝取,但沒有禁食期、(3)限制 30% 的熱量攝取,半天內給食三次,另外半天禁食、(4)限制 30% 的熱量攝取,每天只給食一次,其他 21 小時禁食、(5)熱量攝取總量不變,但每天禁食 21 小時。

研究運用液相層析質譜儀(Liquid chromatography–mass spectrometry),以及轉錄組分析(Transcriptional profiling)等方法,發現僅「禁食」而沒有減少攝取的總熱量,就足以得到在限制熱量的飲食模式時出現的大部分代謝與核酸轉錄的特徵,以及延長壽命、防止衰弱等健康上的好處。

該研究歸納出以下三大結論:

  1. 過往研究限制熱量攝取的好處時,無法分辨原因是「總卡路里攝取下降」還是「有規律的長時間禁食」。這篇研究協助釐清熱量限制帶來好處的原因,發現單純禁食而並不減少總熱量攝入,就足以達到有助代謝和延緩老化這些健康效果。
  2. 研究是在特定的條件下所觀察到的現象,不同性別及不同品系的小鼠,禁食的效果就不同,無法廣泛推論於不同物種或不同飲食文化的個體。
  3. 禁食很可能是限制卡路里攝取時,可改善健康和長壽所必需的關鍵。如果可以證明適用於人類,未來可能幫助人們在不需要減少卡路里攝取總量的情況下,也能延緩老化、促進健康。
圖/Pixabay

大爆吃再間歇性禁食更健康?仍有待證實

臺大醫學院腦與心智科學研究所教授王培育指出,適當的飲食限制對於促進代謝、預防疾病及延長壽命的益處已是廣為人知。然而在早期用酵母菌、線蟲及果蠅作為實驗對象的研究中,受限於實驗模式,大多是以稀釋食物中的營養成份且自由飲食的方式來觀察飲食限制的好處 [1][2][3]

而在哺乳類中,小鼠或猴子實驗則是以每日一到二次或數日一次的方式,餵食正常食量的 40-80% [4][5],因此,一直以來飲食限制所帶來的好處被認為是降低日常飲食中卡路里的總量所導致。但是這些傳統的觀點在近年來的研究中已是備受挑戰,例如每日限制時間或食物量的餵食或禁食(於幾個小時內自由飲食或吃完定量的食物),也可明顯的達成健康長壽的好處 [6]

所以,重要的究竟是卡路里減量,還是禁食?本篇研究利用特定品系的小鼠,以系統性的方法實驗數種飲食的模式並且分析多種代謝及生理指標。結果顯示適當的禁食,可能是影響健康指標的關鍵,然而這是否意味著大吃大喝但間歇性的禁食是比少量及少餐更好的選擇呢?有待日後有更多的研究證據來說明。

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規律禁食/進食,比總熱量攝取更重要

王培育也指出,這份研究僅使用了兩種品系的公、母小鼠進行研究,便可觀察到飲食限制對於不同性別及兩種品系小鼠的生理反應造成許多的差異,顯示本研究是在特定的條件下所觀察到的現象,無法廣泛推論於不同物種或不同飲食文化的個體。

這份研究提供一個重要的概念,適當的禁食可以達成傳統的飲食限制(禁食加上卡路里減量)對身體健康的好處,因此營養均衡、不必在卡路里上斤斤計較,一樣可能擁有健康長壽。

王培育指出,這份研究詳盡的比較了長期限制總熱量攝取與間歇性禁食,對代謝、老化以及壽命的影響,結果也顯示了有規律的間歇性禁食也許就足以帶給我們健康上的各種好處。這告訴我們,吃什麼、吃多少固然重要,何時吃以及飲食是否規律也許更重要。這結果與上月一篇發表在期刊《自然》(Nature)上的果蠅間歇性禁食實驗結果不謀而合 [7]

這份研究提供一個重要的概念,適當的禁食可以達成傳統的飲食限制(禁食加上卡路里減量)對身體健康的好處。圖/Pixabay

「禁食」才是有助代謝的關鍵

國立中興大學食品暨應用生物科技學系特聘教授蔣恩沛指出,過去許多研究都發現「限時進餐」或「限制進餐量」具有代謝益處,並延長小鼠的壽命。然而這些發現並無法釐清,哪些是純粹因為減少熱量攝入引起的好處,而哪些是因實驗要控制卡路里而無形中施加了禁食所致。

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本研究在小鼠實驗中發現,限制卡路里的飲食方式,促成葡萄糖代謝、虛弱和壽命的各項改善,其實需透過「禁食」來達成。研究推翻了長期以來認為卡路里限制飲食對哺乳動物有益僅是由於減少總熱量攝取的觀點,並強調當中的「禁食行為」才是有助代謝(例如提升胰島素敏感性)和延緩老化這些保護作用的重要原因。

研究結果揭示了我們何時以及吃多少食物,如何調節代謝健康和壽命,並證明每天延長禁食,而不僅僅是減少熱量攝入,可能是熱量限制飲食對改進代謝和延緩老化的原因。過去已有研究表明,延長兩餐間隔對健康有益,本研究結果與過去研究也有相當的一致性。

蔣恩沛表示,人類老化過程中所伴隨的退化過程和疾病,有許多變因,除了攝食量、飲食方式、種類,還有基因、環境因素,甚至腸道菌相,均可能扮演角色,遠比實驗動物複雜。然而可以確定的是,限制熱量攝取可提供代謝上的益處,並可能減緩衰老、延長壽命。

圖/Pexels

本文編譯自科學期刊文章,完整文章來源:

參考資料:

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台灣科技媒體中心_96
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