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物質結構與鍊金術——阿宅物理(3)

科學大抖宅_96
・2015/10/13 ・3419字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 576 ・九年級

先前,人稱(?)物理界蔡頭的大抖宅,向大家介紹了反物質的箇中奧妙,卻也帶出讓人困惑的問題:為何宇宙中的反物質這麼稀少?物理學家因此提出許多理論,試圖揭開這個謎底。

然而,組成物質與反物質的粒子其實相當多樣,特性亦不相同;於是,物質比反物質多的現象,也可能隨著粒子種類的區分而有不同因素,如果不追根究柢,就太辜負了阿宅的熱血!大家是否如鋼之鍊金術師愛德華‧愛力克[1]一樣,準備好探求物質的原理了呢?Go!

<鋼之鍊金術師>主角愛德華‧愛力克描述的科學家(出處:單行本第一卷)
<鋼之鍊金術師>主角愛德華‧愛力克描述的科學家(出處:單行本第一卷)

根據西方鍊金術的古老傳說,只要拔到獅子的鬃毛擁有賢者之石,就能將普通的金屬鍊成黃金;而在<鋼之鍊金術師>裡,「等價交換」是最基本的法則,主角愛德華‧愛力克是這麼說明的:「如果要得到某樣東西,就必須要付出同等的代價。」依現代化學理論而言,我們可以將等價交換法則理解為原子不滅定律與質量守恆定律,亦即:化學反應只是讓物質中的原子重新排列、組合,反應前後原子種類及數目不會改變,總質量也不會改變[2]

source:wallpapersis
source:wallpapersis

於是,說到底,要從沒有黃金成份的物質鍊出黃金是不可能的事,就算你有賢者之石也一樣(雖然它在許多電玩遊戲裡很好用)——因為金原子不會憑空出現,也無法由化學反應合成。但即使我們沒辦法真的鍊金,從碳製造鑽石倒是可能的:鑽石是由碳原子組成的特定結構,只要符合某些條件,我們就可以用碳合成出鑽石

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<鋼之鍊金術師>裡針對等價交換的說明(出處:單行本第一卷)
<鋼之鍊金術師>裡針對等價交換的說明(出處:單行本第一卷)

「可是瑞凡,[3]」各位或許要問了:「原子到底是什麼呢?」如中學理化課所教,所有物體都是由原子構成的;原子又包含了原子核,以及環繞其外的電子。若以簡單的圖像表示,近似於:

原子結構示意圖(黑:電子,紅:質子,藍:中子。出處:維基百科)
原子結構示意圖(黑:電子,紅:質子,藍:中子。出處:維基百科)

位於中心的原子核,由質子(以紅色表示)與中子(以藍色表示)組成;電子則繞著原子核運行(不過必須注意的是,圖裡的顏色僅為區分之用,不代表真實顏色;電子的軌跡也不是圖中所畫這麼簡單)。原子核實際上只佔了原子中心極極極~微小的區域。通常,我們說原子的直徑約為10-10公尺(0.1奈米),原子核的直徑則大約是原子的萬分之一強。也就是說,如果原子核跟我們人類一樣大的話,那麼整個原子的大小就是圍繞你周圍十多公里遠的範疇[4]

電子是人類最熟悉的基本粒子之一,我們日常生活用到的電,都是藉由電子來輸送。因電子帶負電,為了方便,我們將其電荷定為 -1單位。同時,電子還有個結拜夥伴,稱為電子中微子(electron neutrino),顧名思義,是電中性的微小粒子。[5]這一對換帖的,我們歸類為輕子(lepton)第一代(first generation)。再者,我們有渺子[6](muon)和渺子中微子(muon neutrino)結成的輕子第二代;與濤子[7](tau)和濤子中微子(tau neutrino)搭配的輕子第三代。

這所謂第幾代,是以電子、渺子和濤子的發現順序來分,並無輩分大小——就像火影的初代目到七代目,[8]是以擔任時間來排序,不見得都有血緣關係。渺子、濤子與電子雷同,均帶 -1 單位電荷,但是質量較大,可看做威力加強版的電子。不過,因為渺子和濤子壽命極短、稍縱即逝,所以幾乎只能在實驗裡看到。

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中微子

質子和中子也是我們很熟悉的粒子,它們組成了原子核。實際上,質子和中子都是由更基本的粒子(稱為夸克)所構成的。夸克跟輕子類似,兩兩一夥共三代,分別為第一代的上夸克(up)、下夸克(down),第二代的魅夸克(charm)、奇夸克(strange),和第三代的頂夸克(top)、底夸克(bottom)——這邊的配對順序很重要,就像<火影忍者>裡佐助X鳴人(攻受不可逆)一樣;其中,前者的上、魅、頂各帶 +2/3 單位電荷,而後者的下、奇、底各帶 -1/3 單位電荷。

兩個上夸克加一個下夸克構成了質子,帶 +1 單位電荷;一個上夸克加兩個下夸克構成中子,並且不帶電。像質子與中子這般由三個夸克組成的粒子,我們都歸類為重子(baryon)。同時,雖然有許多其他重子,但它們跟渺子、濤子一樣,無法穩定存在於自然界中。

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到此,我們似乎開始看出端倪了:所有物體都是由原子構成,而其中原子核裡的質子和中子屬於(夸克組成的)重子;外圍的電子則屬於輕子——所謂的原子其實包含了兩種不同類別的粒子。這也是為什麼上篇文章提及,科學家要把宇宙的發展中,產生物質多於反物質的過程,分別稱為重子始源(baryogenesis)與輕子始源(leptogenesis)。另外,剛剛提到的所有粒子,都有相對應的反粒子。[9]

在了解原子的結構之後,讓我們回到開頭的話題:要像愛德華‧愛力克那般鍊成黃金是否終究沒指望,只能洗洗睡了呢?等一下!既然化學反應無法製造金原子,那麼物理反應呢?所有原子核都是由質子和中子組成的,相異元素的原子核之間,區別在於質子數目的多寡不同。[10]

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自由操縱質子、中子,以重組金原子核,是否可行?原則上,這件事大概或許也許不是不可能,但當下現實世界的地球人卻並不擁有這樣的技術,<空想科學讀本>已有詳細的分析,於此就不再贅述。總而言之,要無中生有鍊出黃金在目前仍然是超越人類能力的事情,雖然很遺憾,但也無可奈何就像大抖宅買了票要聽 Bon Jovi 邦喬飛在台灣睽違二十年的開唱,演出卻因杜鵑颱風取消一樣幹

<鋼之鍊金術師>裡將石頭鍊成黃金的一幕(出處:單行本第一卷)
<鋼之鍊金術師>裡將石頭鍊成黃金的一幕(出處:單行本第一卷)

然而,前一回留下的(重子始源與輕子始源)分類問題,現在只回答了一半。我們知道原子核裡的中子和質子,與環繞其外的電子分屬不同類別了(重子與輕子兩類),但它們除了名稱不同外又有什麼本質上的差異呢?分成同一類難道就不行?你有想過這個嗎?沒有。因為你只會想到你自己。電子又為什麼要跟中微子配對?莫非有什麼不可告人的特殊關係嗎?緊張緊張緊張!危險危險危險!刺激刺激刺激!欲知如何,下回請繼續收看阿宅物理第四話!

註解:

  • [1] 請參照漫畫<鋼之鍊金術師>。愛德華‧愛力克為該作主角。
  • [2] 此處所述僅就化學領域而言。
  • [3] 電視劇<犀利人妻>的經典台詞。
  • [4] 原子其實沒有固定的邊界,所以也並沒有確定的大小。這邊說的原子直徑是以測量相鄰原子之間的距離來定的。又,關於原子核只佔原子中心很小部份體積一事,可延伸參考中學時所教的拉塞福(Ernest Rutherford)散射實驗。
  • [5] 中微子又翻譯做微中子,然而為了避免與中子產生混淆,這邊均使用中微子的名稱。今年(2015)的諾貝爾物理獎便與中微子相關,之後會另有專文介紹其性質。
  • [6] 有時亦翻譯成緲子。
  • [7] 有時亦做陶子(不是跟李李仁結婚那位)。
  • [8] 請參照漫畫<火影忍者>。
  • [9] 所有粒子都有對應的(質量相等但電荷相反的)反粒子;然而有些粒子會是自己的反粒子。反粒子組成的物質就稱為反物質。詳情請參閱系列前兩篇文章。
  • [10] 換句話說,當兩個不同原子核裡質子數目相同,我們就稱此二者是同一元素。至於中子的數量呢?請查詢同位素(isotope)一詞。

參考資料:

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  1. David Griffiths (2008) Introduction to Elementary Particles, 2nd edition

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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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