0

0
0

文字

分享

0
0
0

談物理課中的典範敘述-丁肇中的實驗物理——《科學月刊》

科學月刊_96
・2016/02/23 ・2848字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 557 ・八年級

簡宗奇/桃園市立南崁高中物理科教師。

01
1976 年諾貝爾物理獎得主丁肇中博士。 Source: wikipedia

能給電子一個大小嗎?

電子之為物,微乎其微;電子之小也難以詞敘,但其影響力能造就如此繽紛多彩的3C 產業,影響現代人類生活至深且鉅。不過當學生一問:「電子既然是基本粒子,那它有體積嗎?」「如果有體積,那半徑是多少?」倒還真的不容易回答;這是大哉之問,不管是看成是科學式或是哲學式的命題,要提出中肯而完整的答覆是有相當難度。我通常會以華裔諾貝爾物理獎得主丁肇中教授過去在這方面的實驗研究為例回應,並簡述一段粒子物理發展的歷程與故事。

丁肇中是來自臺灣在國際發光的實驗物理巨擘,近半世紀以來的成就已為學界崇高典範,同為華人都能深感光榮。從他身上可見其鮮明的人格特質,其堅毅卓絕的精神與窮究物理的睿智,更值得我們嚮往與學習。

1947 年間,由費曼、薛文格與朝永振一郎建立的量子電動力學主張電子是沒有體積的點狀粒子。但是在1964 年,美國哈佛大學與康乃爾大學的專家實驗結果否定了此一說法,他們利用高能光束照射電子的研究發現電子是有半徑的,且在10-13 至10-14 公分之間。

對此一理論與實驗的衝突,丁肇中在1966 年用德國電子同步加速中心的機器以不同方法重做了此一實驗,最後證明電子的半徑小到不可量度,量子電動力學(QED)還是對的。30 年之後,他又利用歐洲共同核子研究所的LEP 加速器進行相同的實驗,靈敏度再提升了3 個數量級後結論依然不變:電子沒有體積,QED 正確無誤。

丁肇中藉此給了我們一個體會,這也是科學家應有的懷疑態度,不畏懼挑戰權威,永遠要保持獨立思考,「不要盲從專家的結論。」

在不疑處有疑

接著丁肇中就質疑,「同樣是基本粒子的夸克就只有三種嗎?」雖然當時以三種夸克的論點就已能解釋看到的所有現象;如要找尋新夸克,需要靈敏度更高的探測器,學界多半認為不可能也沒必要,因此他提出的計畫未受青睞、飽經挫折;經過多年的努力之後,才在美國布魯克海汶國家實驗室的AGS 加速器進行這項實驗計畫。這項實驗科技突破以往,其靈敏度高達百億分之一;他比喻,「如同在一座下雨的城市裡,每秒鐘有一百億個雨滴,其中只有一個是紅色的,而你要把它找出來」,可見其超高難度。

丁肇中相信自己的物理直覺,毫不膽怯地迎接挑戰,終於在1974 年間發現了由全新夸克組成的J 粒子;這項創舉證明了三種夸克論點是錯的,並且這種質量大、壽命長的同族粒子也都陸續現身;他因此獲得1976 年諾貝爾物理獎;而他在諾貝爾獎頒獎典禮中,突破慣例以中文演說的事蹟更是一段佳話。

他以此為例鼓勵後進:「永遠對自己充滿信心,做自己認為是正確的事。」這是丁肇中給我們的第二種體會;科研工作一樣有險阻,自信心與智慧是勇往直前的動能。

「全力以赴,準備接受驚奇」

布魯克海汶國家實驗室的AGS 曾是在1950、60 年代最大的加速器,研究團隊曾經為了研究π 介子與質子的交互作用時,意外地發現2 種微中子與CP 對稱破缺;在70 年代規模最大的費米國家實驗室曾經為了探究微中子物理,結果發現的是第5 種、第6 種夸克;史丹福直線加速中心也曾經為了實驗檢證量子電動力學,結果也是出乎意表地找出了「部分子」、「τ 輕子」與「ψ 粒子」。

70 年代末期,丁肇中在德國電子與正電子對撞實驗室裡本來是要研究第6 種夸克的,最後意外地在偵測器中發現了新的粒子射流,後來他們稱之為「膠子」,這是傳遞強作用力的媒介物質,在量子色動力學(QCD)裡舉足輕重,其重要性自不待言。而這段研究歷程賦予了我們第三種體會:「對於意料之外的現象要有充分準備。 」丁肇中治學嚴謹,有精準的物理直覺,能掌握現象脈絡、洞察機先,也是這項偉大發現的重要關鍵。

接著在1980 年代,丁肇中持續在高能物理與基本粒子的領域發光發熱,領導並主持近20 個國家、600 多名科學家的大型國際合作計畫在歐洲共同核子研究所的LEP 中進行;其以高能的電子與正電子對撞後製造宇宙創生的能量狀態,試圖藉此追索真理的閃耀火光。其多項實驗結果確立了三代的基本粒子家族,確認電子與夸克是沒有內在結構、沒有體積的基本粒子,並且對標準模型的論證做出許多重要的貢獻。

丁肇中在實驗物理方面的重要貢獻

20n

實驗力爭造物功

丁肇中在90 年代開始投入找尋反物質與暗物質的「國際太空反物質探索計畫──AMS 實驗(Alpha Magnetic Spectrometer)」。這項計畫是將人造的磁質譜儀送上太空用以偵測反物質與暗物質。前驅性計畫的AMS-01在1998 年由發現號太空梭載至太空進行了10 天實驗;AMS-02 則在2011 年由奮進號太空梭送上國際太空站,固定在太空站上執行長時間的偵測任務,是世界迄今唯一獲准在國際太空站進行的大型科學計畫。

03
探索宇宙反物質與暗物質的磁質譜儀AMS-02。 Source: AMS-02

AMS-02 由16 個國家、60 多所大學、600 多位科學家合同運作,臺灣包括中研院、中科院、中央大學、成功大學與國家太空中心都參與設計製造、校正觀測儀器與數據分析的任務。AMS-02 四年來蒐集的數據顯示在暗物質的闃黑當中已乍現曙光,其最新繪出的數據分布趨勢與暗物質理論模型的前半段極為相似,後續的研究發展可見樂觀與信心。他給我們的第四個體會是「要實現你的目標,最重要的是要有好奇心;要對自己正在做的事感興趣,而且要勤奮地工作。」

04
搭載AMS-02 的國際太空站。 Source: NASA

丁肇中縱橫物理世界數十年,他時以親歷的這四個科學實驗串起自己作為實驗物理學家的生涯;至今,他仍未休止,他壯行真理千山,實驗力爭造物功,仍在物理探索的最前沿奮進不懈;他鼓勵年輕人如果有志投身科學研究,要刻苦工作、不怕艱辛,應該打開眼界對科學發展的方向有明確的認識。

述說典範也是教學

「故事敘述」是後現代行政哲學裡,組織互動溝通與建立心智模式的行動策略之一,透過故事敘述的歷程可為促進系統思考、型塑共同願景與履行達成目標;此施之於教學亦然。科學史則是科學課程故事敘述的主要文本,必要時可以適時激發學生學習興趣,營造物理課堂的情意氛圍,啟動熱誠的學習行為,並且引人入勝。

高中物理教科書鮮少提及華人的貢獻,主要是因為課程單元相關性之故,不過以其長年來在實驗物理的各項偉大成就來說,丁肇中仍然值得大書特書的。「真理隱乎幽微,而慧智窮究之」;我想這是仰止大師「雖不能至,而心嚮往之」的最佳寫照了!

述說一個科學歷程或故事,詮釋一個科學概念,融入一種情意教育,試著與人性良善特質兼容並蓄,讓物理往情性感知的一隅靠攏,使生硬的科學課程擁有勵志的元素,如此一來也許會更有意義;有人說這也是一種教育美學。

2016-02-cover〈本文選自《科學月刊》2016年2月號〉

延伸閱讀:

親身體驗史上最大物理實驗—CERN OPENDAYS
研究基本粒子的理論學家—中央大學物理學系蔣正偉教授專訪

什麼?!你還不知道《科學月刊》,我們46歲囉!
入不惑之年還是可以
當個科青

點此觀看我們的改版紀念MV!


數感宇宙探索課程,現正募資中!

文章難易度
科學月刊_96
224 篇文章 ・ 1774 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

2
1

文字

分享

0
2
1

就是想知道十萬個植物的為什麼!解開植物生長之謎的駭客兼翻譯——蔡宜芳專訪

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/04/06 ・3848字 ・閱讀時間約 8 分鐘

本文由 台灣萊雅L’Oréal Taiwan 為慶祝「台灣傑出女科學家獎」15周年而規劃,泛科學企劃執行。

2018 年「台灣傑出女科學家獎」傑出獎第十一屆傑出獎得主

  • 中研院分子生物研究所特聘研究員蔡宜芳,畢業自台灣大學植物系,在美國卡內基美隆大學(Carnegie Mellon University, CMU)取得博士,後於加州大學聖地牙哥分校(University of California, San Diego, UCSD)進行博士後研究,研究專長為植物分子生物學。主要從事細胞膜蛋白的功能研究,在硝酸鹽轉運蛋白研究領域有卓越貢獻。2021 年蔡宜芳特聘研究員榮獲美國國家科學院(National Academy of Sciences, NAS)外籍院士(international members)。

如果妳撿到蔡宜芳掉的手機,可能很難立即知道失主是誰,甚至有點摸不著頭緒:因為她手機裡超過 80% 的照片,都是植物。為何會選擇植物作為研究領域?身為中研院分子生物研究所特聘研究員,在植物分子生物學領域貢獻卓著的她卻說,這個決定其實「不太科學」,因為起心動念是自己「真的很喜歡植物」。

因為喜歡所以好奇,因為好奇而想要知道更多:許多 love story 都是這樣開始的,而研究領域的開展又何嘗不是一場超浪漫故事呢?也因為一般人都不夠認識植物,聽不懂植物的細語呢喃,更需要蔡宜芳這般熱愛植物的科學家,擔任植物駭客兼翻譯,讓不辨菽麥者也能偷聽花開的聲音。

故事,從一株異變的阿拉伯芥開始說起。

植物對於氮肥的攝取機制與調控方法正是蔡宜芳的研究主題。圖/劉志恒攝影

分子生物學突破:發現植物吸收硝酸鹽的關鍵蛋白 CHL1

上世紀 50 年代起的「綠色革命」,大幅提升了糧食生產量,餵飽了激增的地球人口,「氮肥」在其中功不可沒。它對植物開花結果至關重要,然而植物透過什麼機制攝取氮肥?如何調控才能更有效地吸收?蔡宜芳研究的正是其中的分子機制。

氮,是生物存活的重要元素;從推動光合作用的葉綠素、各種代謝反應的酵素,到與遺傳相關的核酸中,都有氮的存在。但對植物來說,要取得氮元素卻出乎意料地困難;大氣的組成中近五分之四為氮氣,但是除了藉由少數有固氮能力的微生物以外,植物只能使用在土壤中非常少量的氮源,吸收的型態有「氨鹽」與「硝酸鹽」,其中又以硝酸鹽為主。

但是,硝酸鹽是帶電離子,無法自行通過脂質構成的細胞膜,那到底植物如何利用硝酸鹽呢?為了解開這個長年來的謎題,蔡宜芳將目光投向一棵無法正常吸收硝酸鹽的阿拉伯芥突變株,並利用當時最新發展出來的分子生物技術,試圖找到出關鍵基因。蔡宜芳表示,這個無法正常吸收硝酸鹽的突變株,在她約 10 歲時就被荷蘭研究者發現,這麼多年來在傳統技術底下被研究得相當透徹;卻直到她開始進行博士後研究,伴隨植物分子生物相關技術發展,才有方法找到關鍵的轉運蛋白。

這樣的研究自然充滿了挑戰,因為新技術還不穩固,就連實驗室老闆都曾勸她放棄。不願投降的她,決定一邊持續研究氮代謝,一邊到其他研究室學細胞膜研究的新技術,1994 年,蔡宜芳從美國回到台灣,持續研究進一步發現, 位在植物細胞膜上的 CHL1 硝酸鹽轉運蛋白,除了作為硝酸鹽的「搬運工」,還有其他異想不到的功能。在你我的印象當中,植物是被動的吸收養分:但其實當土壤中的的硝酸鹽變化時,植物會主動改變硝酸鹽的運作模式,這就是蔡宜芳團隊在 2003 年的重大發現。運作模式的改變正來自於 CHL1 蛋白的磷酸化轉換,因此 CHL1 蛋白也具備作為「傳令兵」的功能。透過 CHL1,植物便能感應周圍的硝酸鹽濃度,幫助植物調控基因表現,以便能更有效率地利用硝酸鹽。

掌握硝酸鹽吸收的調控,在農業領域十分有發展潛力,蔡宜芳的研究進一步轉向,對接實際應用,期盼為農業的永續未來提供新解方。除了 CHL1硝酸鹽轉運蛋白的機制外,她也針對阿拉伯芥如何吸收與輸送硝酸鹽到不同組織的分子機制展開探索。近期更研究探討是否能以育種或基因調控的方式,增進植物吸收硝酸鹽的效率。由於硝酸鹽非常容易在環境中流失,因此多數的氮肥施放到田間後,植物也往往吸收不了;如果可以改善植物的吸收效率,就能減少施肥的浪費,連帶減少製造氮肥耗用的能源,也讓農作物長得更好。

好消息是,透過基因調控,蔡宜芳團隊已經在阿拉伯芥、菸草及水稻上實驗成功,並取得相關專利,期待未來將授權給生物科技公司進行下一步。

培養科學研究必備品:好奇心、科學思辯與毅力

蔡宜芳從事研究的初衷是因為對植物的喜愛與好奇心,對她來說和植物有關的十萬個為什麼,猶如始終永遠拼不完的大型拼圖,從小時候就在蔡宜芳的心中佔據了重要位子,於是她「追根究柢」(如字面上意義),想靠自己解開植物現象背後的秘密。

人們對自己不了解又無法回嘴的植物充滿了誤解,往往覺得植物跟動物一點也不同,然而在蔡宜芳看來絕非如此,她表示,已經有研究發現,當我們這些動物咬下蔬菜的瞬間,植物裡頭負責傳導的的鈣離子就會產生變化。「大家都覺得植物不會動不會叫,但其實植物是有感知的。」蔡宜芳表示,植物其實都知道,只是用我們不懂的方式在表達,要靠研究才能一句一句地破解植物的密語。

圖/劉志恒攝影

當然研究也不能自己埋頭苦幹,交流非常重要。蔡宜芳擔任植物學期刊 《Plant Physiology》 編輯多年,但回憶起剛建立獨立實驗室的階段,面對那麼多來自審稿人的刁鑽問題,當時的自己也難免生氣。一旦轉換身份成為審稿人,被審的經驗也讓她更明白審查論文時該注意的重點,一來一往的思辨與答辯,反而讓她覺得很好玩。

「我自己有個突破,是因為被質疑的時候很生氣,可是不能光氣,也要想辦法解決。就在生氣的時候,想出來的方法,最後變成我們實驗室很新的工具。」而她也認為自己在替《Nature》等重要期刊審稿時,認真地給出言之有物的評論,幫她累積了領域內的信譽,才讓期刊編輯的位置找到了她。

蔡宜芳曾擔任植物學期刊《Plant Physiology》編輯。圖/《Plant Physiology》網頁截圖

像投稿審稿這般來回思辨的訓練,對科學家的養成非常重要,然而蔡宜芳觀察,科學思辨在台灣教育裡比較缺乏。她舉例,在美國課堂上,老師會要學生先讀一篇論文,接下來整堂課則要學生批評論文有什麼問題。「我們在台灣被訓練的人,都會把 paper 當作傳世經書在讀,讀懂它就覺得很開心了——要去批評它,我們真的沒有習慣。」蔡宜芳坦言那過程對她來說曾經非常痛苦,但會痛就代表該變。

她就此改變了思路:面對知識,蔡宜芳要求自己不僅要讀懂,還要有餘力批評它,說出對、錯在哪裡。蔡宜芳認為,科學就是得永遠抱持著質疑的態度,在不疑處有疑,才能找到真正的答案。「在我自己的實驗室裡面,我也一直在逼學生要去思考」。

蔡宜芳在實驗室中,會不斷要求學生思考、批判。圖/劉志恒攝影

而除了好奇心及思辨能力之外,蔡宜芳認為「毅力」也是科學家在科學界持續前進的重要特質。經驗告訴她,在科學研究中遇見失敗比遇見成功的次數多太多了,革命十次稀鬆平常,如何二十次甚至三十次之後還能繼續往前走?那絕對需要強大的毅力來抗壓才行。

說到壓力,身為科學界的女性,蔡宜芳認為,自己的成長環境中,性別造成的影響並不大,以她所在的中研院分生所為例,研究人員性別比例很平均。但若深入細究,「無意識偏見」(unconscious bias)仍難以避免。她以自己帶過的學生為例,生科領域在大學時期男女比例大約是各半,但隨著碩士、博士一路往上,男性的比例逐漸多於女性。因為許多女學生在面臨職涯選擇的時候,往往會被迫以家庭或是男性伴侶的事業為優先,這種狀況回過頭來又讓部分老師覺得「教育女生有時會是浪費」,成為惡性循環。

榮獲過許多科學成就獎項的她,時常是唯一獲獎的女性,而就在接受採訪不久前,她又獲頒一個獎項,直到頒獎當天的照片寄回到所上,「一片黑西裝裡面,就我穿黃色!」她笑道。所上第五屆台灣女科學家傑出獎得主鍾邦柱老師看到照片時,也對她苦笑說:「哎,革命尚未成功,同志仍需努力。」

「先不要去想會有這個東西,做該做的事情。真正不平的時候,不要安靜不講。」儘管環境仍待改變,蔡宜芳建議女科學人自己先跨出一步,就如同她自己一路走來的態度。

一株莫名異變的阿拉伯芥,遇上一位不放棄的科學家兼植物迷,造就了改變農業、甚至是整體生態未來的契機。如果妳的手機也跟蔡宜芳一樣,裝的幾乎全是自己感興趣、想研究的東西的照片,請別質疑自己是不是怪怪的,或許妳也將靠著研究,改變世界,這是我能想到最浪漫的事了。

台灣傑出女科學家獎邁入第 15 年,台灣萊雅鼓勵女性追求科學夢想,讓科學領域能兩性均衡參與和貢獻。想成為科學家嗎?妳絕對可以!傑出學姊們在這裡跟妳說:YES!:https://towis.loreal.com.tw/Video.php

本文由 台灣萊雅L’Oréal Taiwan 為慶祝「台灣傑出女科學家獎」15周年而規劃,泛科學企劃執行。


數感宇宙探索課程,現正募資中!

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
9 篇文章 ・ 7 位粉絲
充滿能量的泛科學品牌合作帳號!相關行銷合作請洽:contact@pansci.asia