0

0
0

文字

分享

0
0
0

美國前總統卡特接受免疫療法 成功治癒腦部黑色素腫瘤

鄭國威 Portnoy_96
・2015/12/10 ・440字 ・閱讀時間少於 1 分鐘 ・SR值 565 ・九年級
相關標籤:

美國前總統卡特在卡特中心的網站上表示他的腦癌(黑色素腫瘤)痊癒了

My most recent MRI brain scan did not reveal any signs of the original cancer spots nor any new ones. I will continue to receive regular 3-week immunotherapy treatments of pembrolizumab.

根據美國專業醫藥媒體STAT報導,卡特在今年八月揭露自己得了較為罕見的 ‪#黑色素癌‬,通常是在皮膚,但有時也會發生在內臟,卡特的病發位置就在腦部與肝臟。他當時認為大概只剩下幾個星期可活。之後他接受了免疫療法,使用由默克藥廠推出的 Keytruda,而此藥物就是在本庶佑博士及其研究團隊發現的免疫煞車因子 PD-1 之上研發出的。

報導也指出,卡特的年紀大反而是好事。過去認為老年人的黑色素腫瘤接受過更多紫外線照射,突變更多,會讓化療無效,但是對免疫療法來說,正因為突變多,免疫系統更容易辨識出來針對攻擊,效果更好。而且因為免疫系統會記住,這效果將會是長期的,甚至永久的。

目前這藥物每個月療程要花12,500美元。

文章難易度
鄭國威 Portnoy_96
247 篇文章 ・ 1046 位粉絲
是那種小時候很喜歡看科學讀物,以為自己會成為科學家,但是長大之後因為數理太爛,所以早早放棄科學夢的無數人其中之一。怎知長大後竟然因為諸般因由而重拾科學,與夥伴共同創立泛科學。現為泛科知識公司的知識長。

0

1
0

文字

分享

0
1
0
大棕蝠大陰莖,插不進去仍射精?
胡中行_96
・2023/11/30 ・1880字 ・閱讀時間約 3 分鐘

瑞士洛桑大學(Université de Lausanne)生態暨演化學系的生物學家 Nicolas J. Fasel 博士,收到一封以荷蘭文書寫的電子郵件。[1]裏頭附帶的網址,據說能連結到,在某教堂閣樓裡偷拍的性交影片。[1, 2] Fasel 博士起先懷疑遇到詐騙,然而主旨寫著「大棕蝠陰莖」。他想若是投其所好,未免也太過精準。於是,Fasel 博士冒著風險點開。[1]

大棕蝠。圖/The Netherland’s Naturalis Biodiversity Center on Wikimedia Commons(Public Domain

大棕蝠的陰莖

大棕蝠(Eptesicus serotinus)分佈於歐洲和亞洲,偏好棲息在農田、林地附近的建物,或者直接住在樹上,方便捕捉昆蟲。牠們深褐色的毛髮覆蓋大部份的軀體,口鼻、翅膀與兩隻後腿間的尾膜(uropatagium;見上圖),則光禿無毛。身長 62 到 80 mm左右,翅膀攤開的寬度,大約 320 至 380 mm。成年的雌性就算沒懷孕,體型一般仍比雄性大些。[3]

大棕蝠的陰莖。圖/參考資料6,Figure 1(CC BY 4.0

性器,是雄性大棕蝠威猛之所在。綴飾著幾根短毛的陰莖,勃起時末端的兩團組織,會撐成愛心的形狀,背面中央陷落一個凹窩(上圖C)。此時,全長為 16.4 mm,寬度是 7.5 mm。相較之下,雌性的陰道,只有 2.3 mm 長,1.1 mm 寬,顯得不成比例。換句話說,雄性充血膨大的陰莖,長度約莫是自己身長的 22%;而且長寬均是雌性陰道的7倍。[4]「這個物種勃起的陰莖真是太驚人了」,Fasel 博士客觀評論:「超級長。」[5] 讚嘆之餘,他也承認:「我們覺得它實在很難插進任何東西。」[2]

在實驗室裡,研究團隊能用麻醉劑,刺激雄性大棕蝠的陰莖勃起。[5, 6] 然而牠們晝伏夜出,生性隱蔽,拍攝困難。要弄清實際上如何運用陰莖,並不容易。[4]

直到那天,一封神秘的電子郵件降臨。[1, 2]

交配影片

2023 年 11 月《當代生物學》(Current Biology)期刊上,名列大棕蝠論文第二作者的 Jan Jeucken,[4] 是一名荷蘭的蝙蝠愛好者。[1, 2] 他在住家不遠的聖馬提亞教堂(St Matthias Church),架設了 18 台攝影機。[2, 6] 2016 年 10 月 25 日至 2022 年 3 月 22 日期間,近距離拍攝一個大棕蝠聚落的作息。[6] 取景的角度直接,包括由正下方捕捉進行中的性交畫面。[2]

Fasel 博士的團隊,從他那裏取得 93 段大棕蝠的交配影片,再加上 4 段來自烏克蘭蝙蝠復育中心(Ukrainian Bat Rehabilitation Center)。[2, 6] 分析了數小時的錄像之後,大棕蝠陰莖的功能,總算真相大白。[1]

交配中的雄性(上)和雌性(下)大棕蝠。圖/參考資料 6,Figure 5(CC BY 4.0

大棕蝠交配

蝙蝠後腿間的尾膜,平常用來飛翔。[7]親密互動的時候,雌性大棕蝠也會拿它來「擋煞」。因此,雄性想要與牠共赴巫山雲雨,就必須揚起巨砲,撥雲見日。活動正式開始前,雌性會叫個幾聲。雄性一柱擎天,用陰莖上的短毛,感覺雌性外陰的位置。一旦陰莖抵住外陰,前者兩團肉球間的凹窩,便發揮吸盤般的作用,協助鞏固與雌性的肉體連結。同時嘴也沒閒著,緊緊咬住對方的後頸不放。正當雙方難分難捨,陰莖卻點到為止,從頭到尾都沒插入。短則不到 53 分鐘,長至 12.7 小時,努力確保精子泳渡 8.6 mm,深長的子宮頸,安然達陣。[4, 6] 完事之後,雌性腹部可見被精液弄濕的毛髮。[4]

大棕蝠這種如同鳥類「泄殖腔之吻」(cloacal kiss),僅止於表面接觸的交配方式,在哺乳類動物身上前所未見[4] Fasel 博士希望未來能建立一個「蝙蝠情色影片箱」(bat porn box),從各個角度裝設直播鏡頭,讓研究人員觀賞交配實況,發掘更多性癖。[5]

大棕蝠高清無碼交配實錄。影/參考資料 6,Supplementary File(CC BY 4.0

  

參考資料

  1. Smith B. (21 NOV 2023) ‘Bat species uses oversized penis like an arm during ‘contact mating’ — not penetrative sex’. ABC News, Australia.
  2. Vaidyanathan G. (20 NOV 2023) ‘Serotine bats are the first mammals found to have non-penetrative mating’. Nature.
  3. Elliott M. (2022) ‘Eptesicus serotinus’. Animal Diversity Web, University of Michigan, U.S.
  4. Fasel NJ, Jeucken J, Kravchenko K, et al. (2023) ‘Mating without intromission in a bat’. Current Biology, 33, 22, PR1182-R1183.
  5. Jacobs P. (20 NOV 2023) ‘How big is too big? Bat’s enormous penis makes penetration impossible’. Science.
  6. Fasel N, Jeucken J, Kravchenko K, et al. (2023) ‘No intromission is involved in the mating of Eptesicus serotinus, a novel copulatory pattern in mammals.’ Research Square.
  7. Gardiner JD, Dimitriadis G, Codd JR, Nudds RL (2011) ‘A Potential Role for Bat Tail Membranes in Flight Control’. PLOS ONE, 6(3): e18214.
胡中行_96
169 篇文章 ・ 59 位粉絲
曾任澳洲臨床試驗研究護理師,以及臺、澳劇場工作者。 西澳大學護理碩士、國立台北藝術大學戲劇學士(主修編劇)。邀稿請洽臉書「荒誕遊牧」,謝謝。

0

0
1

文字

分享

0
0
1
從火海中重返生活,對抗疤痕攣縮的復健之路:陽光社會福利基金會林靜嫄職能治療師專訪——《科學月刊》
科學月刊_96
・2023/11/29 ・5048字 ・閱讀時間約 10 分鐘

  • 採訪報導|張樂妍/本刊主編
  • Take Home Message
    • 燒燙傷的傷友在生理修復過程必須經過疤痕增生及攣縮,且需要長時間的復健治療,使他們重建原有生活的身心歷程艱辛又漫長。
    • 身體將傷口迅速補好的過程會產生疤痕增生,快速增生的細胞還形成向心收縮的拉力造成疤痕攣縮,導致身體無法伸展。
    • 為抵抗疤痕攣縮,復健過程會不停重覆將疤痕展開的疼痛與挫折。而治療師會為他們找到復健目標,陪伴他們重建基本生活到完成復建。
圖為職能治療師林靜嫄。圖/張樂妍拍攝

本文採訪陽光社會福利基金會的代理復建督導——林靜嫄職能治療師,她向我們分享了燒燙傷病患皮膚修復的生理機制、在復健過程的原理、身心理歷程,以及職能治療師在此過程中的角色。

陽光社會福利基金會以提升顏損及燒傷者的生活品質與自我價值、促進健康、安全及平權的社會環境為宗旨,藉由社會關懷的力量和專業服務,陪伴協助顏面損傷及燒傷朋友勇敢踏上艱辛漫長的重建路程。

2015 年熱夏,新北市八仙樂園發生塵燃事件,導致 499 人燒燙傷、15 人死亡。這場意外不僅震驚全臺,當年臺灣全民健保共花費 7.65 億臺幣醫治這些燒燙傷傷友。2016 年 4 月,士林地方法院在判詞中描述倖存者的身心經歷:

「⋯⋯多數被害人亦因二度至三度大面積燒傷,歷經清創、換藥、植皮手術,承受生不如死之疼痛,且隨著疤痕增生攣縮,需進行多次皮膚修整重建手術,每日復健更需忍受皮膚拉扯之疼痛,治療及復健過程極其艱辛漫長,又燒傷部位無法排汗,痛癢難耐,承受諸此種種生理層面難以忍受的煎熬。」

「⋯⋯關節及手指、腳趾之原有機能,亦難以完全治癒而回復正常,影響日常生活自理能力,不僅無法過正常生活,對未來求學、工作就業均產生極大之困難與障礙,信心低落;長期穿著壓力衣及疤痕外觀更需面對外界異樣眼光⋯⋯」

燒燙傷的治療不像是一般傷口的生理修復過程,其中必須經歷的疤痕增生及攣縮,需要長時間的復健治療。對於燒燙傷傷友而言,這趟回到正常生活的過程,宛如一場永無止盡的夢靨。

疤痕保護傷口,卻阻礙了生活

讓我們回到傷害形成的當下,將鏡頭拉近到細胞層級的皮膚組織。皮膚從外到內可分為表皮、真皮、皮下組織三個部分,而表皮又可分成五層細胞結構。表皮中最裡面的基底層具有增生表皮細胞的功能,與真皮乳突層的膠原纖維和彈性蛋白相接,並以網釘狀的結構穩定表皮與真皮間的連接處。當燒燙傷發生,如果只傷害到基底層以上的表皮,基底層會長出新的細胞恢復表皮狀態,例如曬傷導致的脫皮,表皮可自動修復為原來的狀態,此狀況屬於第一度燒燙傷。

但是當基底層被破壞,也就是傷害波及到真皮層時,表皮與真皮之間的穩定度不足而互相剝離,便容易產生組織積液(水泡)。同時表皮層的破壞使真皮層中的神經末梢暴露,此時的傷口會比一度燒傷更加疼痛。這樣的情況是第二度燒燙傷,依傷口深度又可分為淺二度和深二度,淺二度約 14 天可恢復,深二度則需約21天的修復時間。淺二度的傷口在修復且疤痕成熟後,外觀及顏色上會與原本皮膚有些許差異(例如暗沉淺棕色);深二度以上的傷口即使在完全癒合且疤痕成熟或相關治療後,仍會在傷者身上留下明顯的瘢痕印記,例如被滾水或排氣管燙到而留下的疤痕。若傷口已接近皮下組織、真皮層幾乎被破壞殆盡,則進入第三度燒燙傷。此時的皮膚已完全失去再生能力,須以植皮手術盡快關閉傷口,三度以上的大面積傷者也可能有傷口感染及敗血症的高度風險;更嚴重者是傷及皮下組織的第四度燒燙傷,不僅血液循環系統遭破壞,在組織壞死的情況下甚至有截肢的可能。

人體的皮膚結構與燒燙傷等級

圖/Adobe Stock

在一道新的傷口出現後,血小板會快速聚集以凝血,白血球等免疫細胞負責吞噬細菌抵禦外敵,使傷口周遭開始出現紅、腫、熱、痛等發炎反應,並從基底層開始修復。治療師林靜嫄比喻這時的皮膚狀態:「皮膚出現傷口時就像房子門戶大開,當有僵屍(細菌)入侵,身體會想要趕快把門窗堵好、磚頭堆好,此時真皮層的膠原母細胞所分泌的膠原纖維,就是我們封閉門窗的木板和磚頭,它可以讓組織向心收縮、使傷口縮小,加速傷口的癒合。但在情急之下,當然就會填補得很亂(膠原纖維排列混亂)。即使傷口癒合之後,身體還是會擔心外敵入侵,持續堆疊加固的過程會使組織向外凸起,這段過程就是疤痕的增生期。」她繼續解釋,此時的身體讓膠原細胞不停增生、堆疊,雖然可以將傷口迅速補好,但也會產生突起的疤痕;而且因疤痕組織的排列結構既不穩固彈性又差,限制皮膚延展性的同時又容易反覆出現新傷口,導致復健之路困難重重。

初生的疤痕呈現紅、凸、硬、緊的樣貌,要經歷數年的時間才能完全成熟——「成熟的過程就像身體把原本混亂排列的木板磚頭(膠原纖維)拆掉,再重新排好蓋新的取代,慢慢替換成比較穩定的結構,也將突起的組織逐漸化為平整。」林靜嫄說道。然而,即使突起的組織可以等身體自主代謝分解或以雷射等方式淡化消去,但組織修復所產生的疤痕卻會持續影響傷友的生活機能。

阻止疤痕攣縮

你在趕路時會選最短路線嗎?皮膚在修補時又急又緊張,建構新組織時也會選擇最短路徑,快速增生的細胞還形成了一股向心收縮的拉力,這樣的現象被稱作「疤痕攣縮」。當疤痕攣縮發生在大面積或關節處時,身體的伸展就會出問題。

舉例來說,當手肘外側受傷,疤痕增生時手臂若保持伸直,因皮膚依最短路徑去修補傷口,沒有恢復關節處原有的皺褶,手臂就會變得無法彎曲。在皮膚原有的彈性和皺褶面積無法重建的情況下,活動時就會拉扯到才剛修復的皮膚,如果沒有在疤痕攣縮時進行復健,疤痕處甚至可能無法動彈。由於全身的皮膚緊密相連,不論身體哪個部位發生疤痕攣縮,都可能影響到全身的活動及傷友的日常生活。

為了不讓疤痕影響身體動作,肢體必須擺放在正確的位置,而且一定要適當的活動,才能展開收縮的地方。如果我們將疤痕放大到組織層級觀察,在經常拉開疤痕的動作中,組織被慢性地施加機械應力,讓細胞間出現空隙後,便能夠促成細胞、血管、表皮等組織的再生。這種軟組織結構的變化過程被稱作生物潛變(biological creep)。除此之外,對疤痕加壓也是重要的復健步驟,「就像在跟疤痕說『OK 了!不用再長囉!』,原本紅紅的疤痕要壓到呈現泛白的情況,才有效果。」林靜嫄說道,適當的壓力可以阻擋血流量,以減少養分送達,便能減緩組織大量增生的速度,還可以促進組織纖維的正常排列。

可利用復健模具幫助面部的加壓。圖/張樂妍拍攝

當疤痕組織的合成與分解反應達到平衡、不再增生,肥厚、鮮紅又緊繃的外觀變得平緩、暗沉且柔軟,疤痕便結束上述成熟的過程,來到成熟期。這時疤痕的攣縮力道微乎其微,而達到較穩定的狀態。只不過上述過程都是科學上的變化過程,實際情況將涉及更多不可控的因素,處處阻撓著傷友回歸到正常生活。

看不見盡頭的復健之路

實際上傷友在抵抗疤痕攣縮的過程,可能有以下幾點因素會增加他們在復健上時的困難:

1. 疤痕攣縮不分日夜

「我們人只有在白天活動啊!」林靜嫄說道。但晚上的疤痕仍在不停生長,因此傷友會需要許多道具協助,例如壓力衣,可以持續提供疤痕穩定的壓力值,並促進疤痕成熟。另外睡覺時的姿勢也很重要,各種副木或支架及彈力繃帶便是最佳幫手。

2. 復健過程的不適

將疤痕拉扯、伸展開來的撕裂感十分疼痛。受傷面積涵蓋各部位的傷友就更加辛苦,例如傷口同時在膝蓋的外、內側,站久了便不能坐下,坐久了就站不起來;在手臂的大面積疤痕,即使沒有覆蓋關節處,疤痕攣縮仍可能讓手肘和手腕無法活動。當組織及神經在修復時,還會有刺痛、麻、搔癢的感覺。

3. 傷友還在成長階段

新生兒或兒童的生長速度快,皮膚修復也較快,但也因為還在發育,即使疤痕成熟仍必須長期觀察。成熟的疤痕雖具有一些延展性,不過一定不比一般皮膚好,如果延展性跟不上身體成長速度,傷友就可能需要另外的手術治療。

4. 如果傷友需要工作

林靜嫄分享過去的傷友案例中,需要久站的工作者十分不易。因傷處微血管循環的改變,可能使得傷友的肢體血液循環不良,在肢體垂放或久站的情況下出現血液鬱積(充血)反應。此時肢體會彷彿有一群螞蟻在啃咬般難受,因此工作中需要固定姿勢或維持動作時,傷友較容易感到不適。此外,傷友在返回職場前除了要克服肢體活動的問題之外,還要面臨體能及動作流暢度不如過往、工作中主管及同事的關心或質疑、外觀改變的適應問題等,「大多還是期望可以返回原職場與原職位,但在一些限制下,部分傷友會選擇在原職場轉換為內勤工作,或是藉由職涯探索與職訓安排,轉換工作的跑道。」林靜嫄說道。

5. 復健成效及所需時間都無法預估

傷燙傷面積和位置是決定復健所需時間的關鍵,然而每個人的復原狀況都不相同,受傷程度也有大有小,更何況疤痕攣縮可能影響全身肢體的活動。因此即使有數據表示,疤痕成熟通常需要花費 1~2 年,實際的復健成效及所需時間仍無法準確評估。

壓力衣可以持續提供疤痕穩定的壓力值並促進疤痕成熟。圖/張樂妍拍攝

對於燒燙傷傷友,抵抗疤痕攣縮就是它們時時刻刻且長期要面對的課題。治療師及陽光社會福利基金會的角色便是協助他們的復健過程,幫助他們重新恢復自主生活的能力。

從燃燒的身心歷程裡畢業

除了身體上的疤痕之外,傷友心中的疤痕也是非常需要被關注的議題。林靜嫄說道,重建生活最首要的便是吃飯、走路、上廁所,而這三件事也緊扣人們的自尊心。當這三件事情需要他人協助時,人們常會覺得自己是一個失能的人,沒有任何用處。而更加令人感到痛苦的是,復健是一段需要不停重覆的歷程。疤痕會一直維持向心收縮的狀態,如果傷友今天把疤痕拉開,隔天可能又會縮合回原狀;今天練習時,能順利將杯子從架子上拿起來放到桌上,明天卻有可能連杯子都碰不到。這樣反覆的過程將使得傷友懷疑自己努力及疼痛的意義,偌大的沮喪感讓復健的過程因此變得難上加難。還有更多的情況包含在火災中失去家園、龐大的經濟壓力,甚至失去身體的某些部分,都讓他們距離原來的生活更加遙不可及。

「我們會努力去找到傷友每一天與前一天不一樣的地方。讓他們知道:『你今天也移動了一公分,這是很重要的一大步!』只要每一天都能找到進步的證據,對他們來說就是很大的意義。」林靜嫄分享她的工作經歷,他們為每個復健中的人們找到復健的目標,可能是回到職場、回到健身房,或是再次為了家人煮飯、做到自己喜歡的興趣等,再為他們設下階段性的小目標。從重建基本生活自理開始,逐步完成一個個小目標,讓傷友們看得見自己的進步過程。「讓他接受現在的狀態,了解我們要一起經過的復健歷程,最重要的是找到動機、有了前進的方向與動力。而我們會溫柔的接住傷友與家屬們。」林靜嫄表示,只要每天確實累積,復健的功效就會在某個時機顯現。而動機與彼此陪伴的能量,就是傷友最大的助力。

從傷口形成到疤痕攣縮,再從復健開始到達成目標,這段路有長有短,但許許多多的傷友們最後都還是努力地回到原本的生活當中。林靜嫄說他們把這段歷程的結束,也就是離開復健中心,稱之為畢業。每個人都有自己的生命故事與歷程,都可能經過傷痛帶來的課題。或許每一種傷痛都不盡相同,或許難以感同身受,但我們可以一起試著理解、一起相伴走過。最後,期許我們都能從傷痛這堂課裡畢業。

  • 〈本文選自《科學月刊》2023 年 12 月號〉
  • 科學月刊/在一個資訊不值錢的時代中,試圖緊握那知識餘溫外,也不忘科學事實和自由價值至上的科普雜誌。

討論功能關閉中。

科學月刊_96
248 篇文章 ・ 3138 位粉絲
非營利性質的《科學月刊》創刊於1970年,自創刊以來始終致力於科學普及工作;我們相信,提供一份正確而完整的科學知識,就是回饋給讀者最好的品質保證。

0

1
0

文字

分享

0
1
0
【2023 諾貝爾物理獎】什麼是「阿秒脈衝雷射」?能捕捉到電子運動的脈衝雷射?
PanSci_96
・2023/11/28 ・5940字 ・閱讀時間約 12 分鐘

林俊傑《江南》:「相信愛一天,抵過永遠,在這一剎那凍結了時間」

這一剎那持續了多久?這出自佛經的時間單位有多個解讀,其中最短,可以對應的國際單位制是阿秒。 1 阿秒又有多快呢? 1 阿秒等於一百萬兆分之一秒,是已經短到不行的飛秒的千分之一。在這段時間,別說是談戀愛了,連世界上行動最快的光,也只能移動一顆原子直徑的距離。

在阿秒的時間尺度裡,連光都得停下腳步,過去我們認為捉摸不定的電子,也終於將在我們眼前現身。 2023 年的諾貝爾物理學獎,正是頒給了三位帶領人類進入阿秒領域,探索全新世界的科學家。而這項技術,還可能讓電腦的運算速度加快一萬倍!

就讓我們一起來進入阿秒的領域吧,領域展開!

什麼是阿秒脈衝雷射?

今年諾貝爾物理學獎的三位得主分別是 Pierre Agostini 、 Ferenc Krausz 、和 Anne L’Huillier ,表彰他們對阿秒脈衝雷射實驗技術的貢獻。

圖/X

所謂的阿秒脈衝雷射,指的是持續時間僅有數十到數百阿秒的雷射。當我們能使用脈衝雷射來觀察目標,就好比使用快門時間極短的相機對目標拍照,能捕捉到瞬間的畫面。

2018 年的諾貝爾物理學獎,就頒給了極短脈衝雷射的研究。短短 5 年後,雷射領域再次得獎,但這次是更快的阿秒雷射,能捕捉到電子運動的超快脈衝雷射。

世界上沒有東西能真正的觸碰彼此?看見電子能帶來什麼突破?

為什麼看見電子的運動那麼重要呢?我們複習一下原子的基本構造,在原子核之外,帶有微小負電荷的電子,被帶正電的原子核束縛住。量子力學告訴我們電子沒有確切的位置,而是以特定的機率分布在原子核周圍的不同地方,也就是所謂的電子雲。

圖/YouTube

雖然電子的體積比原子核小很多,但電子雲的範圍,卻占了原子體積的絕大部分。在物理或化學反應中,真正和其他原子產生交互作用的,幾乎都是這些外面的電子。在電影《奧本海默》中,當男女主角手心貼著手心,奧本海默這時卻說:「世界上沒有東西能真正的觸碰彼此,因為我們觸摸到的物體,都只是其中原子的電子雲和我們手上的電子雲產生的斥力。」

圖/screenrant

對了,這種話也只有奧本海默跟五條悟可以講,一般人請不要隨便亂牽別人的手。

除了和心儀的他牽手,不同的電子排列狀態也會直接影響物質的化學活性、材料的導電導熱等基本性質,各種化學和物理過程都和電子息息相關。從非常實際的層面來說,電子可以說是物質世界最重要的基本單位。所以不難想像,如果我們能看見電子,甚至獲得可以操縱個別電子排列與能量的技術,我們能真正成為材料的創世神,許多不可能都將化為可能,是相當重大的突破。

捕捉電子運動有多困難?

但要操縱電子可不是什麼簡單的事,不只是因為電子非常小,更重要的是他們動得非常快。具體來說,電子在原子周圍跳動的週期時間尺度大約是十的負十八次方秒,也就是一阿秒。一顆原子的大小約是十的負十次方公尺,速度等於距離除以週期,換算下來,電子雲差不多是以光速等級的速度在原子核周圍跳動。

圖/wikipedia

如果要捕捉到阿秒尺度的電子運動,就必須將實驗的時間解析度也提升到阿秒等級,否則就會像是用長曝光鏡頭拍攝亞運競速滑冰比賽一樣,只能拍到一團糊糊的影像,而沒辦法分出勝負。

可是,在 1980 年代,脈衝雷射最快只能達到十的負十五次方左右,還只有飛秒等級。而且光靠當時的技術和材料優化,已經沒辦法再縮短脈衝時間了,因此這時候,就要從原理上重新打造一套方法了。

如何製造更快的脈衝?

首先,要製造更快的脈衝並不是用頻率更高的電磁波就好。你想,我們在拍照時,想要讓曝光時間更短,要改善的不是把室內光源從可見光改成頻率更高的紫外光,而是調快快門的開闔速度,讓光一段一段進入感光元件中,變成影片一幀一幀的畫面。而這一段一段進入像機的光訊號,就像是我們的脈衝。

不論是皮秒雷射、飛秒雷射還是阿秒雷射,一直以來在做的都是同一件事,在整體輸出功率不變的情況下,讓每一次脈衝的持續時間更短,同時單一次的功率也會更高。簡單來說,就是要從無數次的普通攻擊,變成每一次都是集氣後再攻擊。

但要怎麼為光集氣呢?光和其他波動一樣,可以和其他波動疊加。把不同頻率的光疊加在一起,波峰和波谷會抵消,波峰遇上波峰則會增強。只要用特定的比例組合許多不同頻率的光,就可以在整體總能量不變的情況下,產生一個超級窄的波峰,其他地方全部抵銷。

1987 年,本次諾貝爾獎得主之一的 Anne L’Huillier 教授發現,當紅外線雷射穿過惰性氣體時,氣體會被激發放出整數倍頻的光。也就是氣體放出許多不同頻率的光,而這些頻率都是原本光源頻率的整數倍,從兩倍三倍到三十幾倍以上的高倍頻光都有。而橫跨這麼大頻率範圍的光,就能組合出時間長度很短的脈衝光。

不過這聽起來未免也太好康了,真的有那麼簡單嗎?

這個看似魔法的實驗背後其實有著相當簡潔的物理圖像。電子原本是被電磁力束縛在原子中,當一道強度夠強的雷射通過氣體原子,原本抓住電子的電位能被雷射削弱。

雖然這道牆只是矮了一些可是還是存在,但此時,在電子的大小尺度下,量子力學發揮了作用。調皮的電子有機會透過量子穿隧現象,穿過這道束縛,暫時逃離原子核的掌控。關於量子穿隧效應的介紹,我們近期也會再做一集節目來專門介紹。

但電子還來不及逃遠,雷射光已經從波谷翻到波峰。電磁波的波谷與波峰,不是指能量的高和低,而是指方向相反。因此在相反的電磁場方向下,不幸的電子被推回原子核附近,再度被原子核捕獲。但在這欲擒故縱、七擒七縱的過程後,電子並非一無所獲,他所得到的動能會以光的形式重新放出。

而因為這些能量最早都來自雷射,因此電子放出的光波長,也剛好會是雷射的整數倍。再說的細一些,你可以理解為這些電子在吸收一顆顆光子後,一口氣釋放這些能量,所以能量都是一開始光子的整數倍。

在 1990 年代,科學家已經掌握了這個現象背後的原理。但一直到千禧年過後。這次諾貝爾獎得主之一 Pierre Agostini 教授和他的研究團隊才終於在適當的實驗條件之下,利用高倍頻光打造出了一連串寬度只有 250 阿秒的脈衝。同時第三位得主 Ferenc Krausz 也使用不同方法,分離出 650 阿秒的脈衝。

最後,獲得阿秒脈衝這個祕密武器之後,我們的世界將迎來哪些變化呢?

阿秒脈衝在各領域的應用

其實啊,有在關注諾貝爾獎都知道,諾貝爾獎通常不會頒給時下正夯的新興研究,前面講的研究,實際上都已經是二十多年前的往事了,而這些辛苦的科學家會在這麼多年後拿下諾貝爾獎的榮耀,正是因為阿秒雷射的發明經過了時間的考驗,成為非常普及的實驗技術,而且被大家公認為重要的科學貢獻。

當然,今年生醫獎的 mRNA 是個超快例外,有興趣的話,別忘了點擊下方影片,看看編劇都編不出來的 mRNA 研究歷程。

說了那麼多,阿秒雷射究竟對人類生活有什麼幫助呢?當然,它能讓我們更深刻了解物質還有光的本質,但是除了幫電子拍下美美的照片放在期刊的封面上,阿秒雷射可以用來做什麼?

在過去這二十年,許多研究已經找到了相當有潛力的應用。

舉例來說,在醫療方面,阿秒雷射可以用來分析血液或尿液樣本。控制良好的超短脈衝可以精準的刺激生物樣本中的各種有機分子,讓這些分子震動並放出紅外線訊號。如果使用的脈衝長度太長,分子釋放的訊號就很容易和原本施加刺激的雷射混在一起,造成量測的困難。唯有阿秒等級的超短脈衝能夠實現這樣的量測。

這些紅外線光譜就像是質譜儀一樣,能幫助我們快速分析血液中的蛋白質、脂質、核酸等重點物質的關鍵官能基狀態。並透過機器學習的方式整合,成為個人化的健康狀態報表,或是做為診斷的依據,將精準醫療提升到全新的層次。

圖/attoworld

不只如此,發送超短脈衝的技術也可能革新當今的電腦運算。電腦運作的方式就是利用電晶體這種微小的開關,不斷的開開關關去發送一跟零的訊號,所以開關電流的速度便決定了你的運算速度。以半導體為基礎的電晶體,工作頻率通常不超過上百 GHz ,在時間上也就是十的負十一次方秒。

自從阿秒雷射技術普及之後,就有科學家想到:既然雷射脈衝的速度更快,那不如就別用半導體了,改用光學脈衝來控制電流作為運算的媒介。這個概念叫做光學電晶體(Optical Transistor)。

今年初,亞利桑那大學的團隊便發展示了如何利用小於十的負十五次方秒的超短雷射脈衝,來開關電流並傳送一與零的位元,這個頻率比現有半導體電晶體快了一萬倍以上。這顯示了光學方法的操作頻率可以有多快,或許能讓我們突破訊號處理和運算上的速度瓶頸。

看完這些便可以理解,阿秒等級的超快雷射脈衝的確是相當近代的一個科學里程碑。就像是科學革命時望遠鏡和顯微鏡的發明,讓人們看見那些最遠和最小的事物,超快脈衝用最快的時間解析度,讓我們看到許多人類從未看過的景象。

阿秒脈衝雷射的出現,是科學上的一個里程碑,讓我們能用更高的時間解析度,讓我們看到許多過去從未看到的景象。最後也想問問大家,在雷射這一塊,你最期待有哪些應用,或者最希望我們接著來講哪個主題呢?

  1. 為什麼醫美、眼科手術那麼喜歡用飛秒、阿秒雷射,真的有比較好嗎?
  2. 使用雷射脈衝的光學電晶體真的有可能取代傳統電晶體嗎?
  3. 除了光學電晶體,最近很夯的矽光子技術,聽說裡面也有用到雷射,可以一起來介紹嗎?

歡迎訂閱 Pansci Youtube 頻道 獲取更多深入淺出的科學知識!

參考資料

PanSci_96
1207 篇文章 ・ 1882 位粉絲
PanSci的編輯部帳號,會發自產內容跟各種消息喔。