科學研究能吃嗎？粒子加速器的食用價值——抖宅翻譯蒟蒻

自從大抖宅開始進行物理研究之後，第二常被問到的問題便是：「這能當飯吃嗎？有什麼食（實）用價值？」雖然知識確實不能吃，許多基礎科學研究乍看之下對日常生活也不會有什麼影響，但若只以「能否拼經濟」、「是否實用」來作為學術的評價標準，恐怕是忽略了科學影響世界的過往歷史——當我們回顧許多重大的科學發現，才會驚訝地察覺：科學研究的價值，往往超乎了人類的預期。

赫茲（Heinrich Hertz）source：wikimedia

著名的科學家赫茲（Heinrich Hertz），在十九世紀80年代用實驗證實了電磁波的存在，而當他的學生追問其實用價值時，他給的回答則是「沒什麼用。」[1]但是，一百多年後的今天，電磁波卻無所不在地應用於我們的日常生活中（也包含了我們現在正閱讀的電腦或手機）！

又如，我們常常用到的GPS全球定位系統，也運用了相對論的原理，對人造衛星上的原子鐘進行時間的校準。如果少了相對論的修正，衛星定位就沒辦法精確計算出我們的位置。不過，一百年前愛因斯坦提出相對論時，大概也不能預知其在日常生活可以有這樣子的應用。同樣地，當時的人若以實用性來評斷相對論的價值，依現在的眼光來看，那就是大錯特錯了。

科學往往以我們想像不到的方式，顯露出其寶貴之處：可能是在多年以後、也可能是在沒人料到的層面、甚或可能是永遠改變了我們對身處宇宙的理解。誠如某部電影（有嗎？）的知名台詞：「科學就像一盒巧克力，你永遠不知道得到的會是什麼。」*對許多人文、藝術領域，這甚至也同樣適用——馬上可以有的產值，往往無法代表事物真正的價值。實務上，我們也不可能未卜先知哪個研究成果會被廣泛運用，才去做相關研究。

• *y編按：原句為：人生就像一盒巧克力，你永遠不知道你會拿到哪種口味。「Life is like a box of chocolates. You never know what you’re gonna get.」from 阿甘正傳 (Forrest Gump), 1994. 用在科學研究別有一番滋味啊。

同時，有許多的科學實驗，雖看似跟生活毫不相干，但其背後運用到的技術，其實也與現實生活裡的科技發展相輔相成、互相提攜。例如，印象中像粒子加速器這麼炫的東西，似乎只會在尖端的基礎物理實驗中出現；然而，英國的蘭卡斯特大學（Lancaster University）講師Graeme Burt，便針對粒子加速器的生活應用，做了如下的詳細介紹。總而言之，求知慾是人類最珍貴的寶物之一，而科學研究，則正是人類邁向知識瑰寶的必經路徑。[2]基礎科學作為科學的基礎（這不是繞口令），就跟5566一樣不能亡呀！[3]

粒子加速器改變世界的五種方式（不考慮希格斯玻色子在內）—— Graeme Burt [4]

美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室的電子加速器一隅 Los Alamos National Laboratory/Flickr, CC BY-NC-ND

大型強子對撞機或許是世界上最知名的科學實驗設施了。在2013年，這個位於阿爾卑斯山山腳、周長27公里的環狀粒子加速器證實了希格斯玻色子的存在，並一舉攫取了全世界的注意。這幫助物理學家確認了，我們用以解釋宇宙運作的關鍵理論是正確的——此無疑是科學上重大進展。但粒子加速器在我們的日常生活中，其實也有著巨大的影響力。甚至，如果沒有它，就連耶誕節都會變得跟現在不一樣。

粒子加速器乃是利用電場，將構築物質的基本組件[5]加速至非常高的速度／能量。所謂電場，則是由帶電的物體，例如靜電荷、或高電壓儀器，所創造出的隱形力場。

起初，這些裝置之所以被發明，是用來研究當粒子互相碰撞、或者撞擊標的時，會發生什麼事情。這樣的實驗讓我們能夠去了解粒子、了解我們周遭的世界，以及了解核子物理學（原子核的學問）。其實單從知識面本身來看，那就已經對許多科技的發展而言至關重要，像是醫院裡的磁振造影[6]掃描儀（MRI scanner），和核能發電廠。

同時，也有中型的加速器，其所產生高強度的光或中子，讓物理學家、生物學家、和藥理學家可以研習材料、病毒、蛋白質與醫藥，並導致數不清的諾貝爾獎、以及嶄新的藥物和疫苗。它們甚至被巧克力和冰淇淋製造商拿來利用：以X光[7]探究不同晶體結構的形成，以研發出最美味的產品；或研究如何避免冰淇淋裡出現冰塊或變成粉狀。

然而，最常見的粒子加速器並不是那個周長27公里的龐然大物，而是充斥在我們周遭的小型工業用或醫藥用加速器。

一、對付癌症

粒子加速器在現代醫療保健扮演了舉足輕重的角色。正子斷層掃描儀（PET scanner）會使用到的同位素，通常就是在粒子加速器裡被製造出來；再者，放射線治療（radiotherapy）與成像（imaging）所需要的X光，就是由加速後的電子射向標靶而產生的。在英國，國家健康服務（National Health Service，NHS）正分別在曼徹斯特的克里斯蒂醫院和倫敦大學學院（University College London）醫院建造特殊的放射線治療中心，其將使用質子，而非一般的電子，來從事放射線療法——這讓治療能夠容許更大的標靶藥物劑量，並且減低對周遭組織的傷害風險。

二、預防恐怖攻擊

為了增加安全性，放射線療法裡的X光源，也廣泛地在港口和機場被使用。這項科技可以用來掃描貨物，以確保不會有任何東西走私進來。因著大多數貨物尺寸的緣故，需要有粒子加速器來產生足夠高能量的X光。藉由兩種相異能量的X光，我們甚至可以辨別出不同的材質（用中子做掃描也可以做到類似的事情）。新一代的掃描儀甚或能夠從X光（照到標的物後）的散射而辨識出毒品或者炸藥。

三、保護環境

由粒子加速器來的X光還有著便利的副作用：消滅細菌和蟲子；所以它們也被用在消毒設備，與煙草、穀物或香料上——殺死小蟲子進而減少耗損。它們也能分解廢水或廢氣裡的有害成份以保護環境。

四、製造行動電話

粒子加速器產生的電子或X光亦有許多工業用途。它們可用來活化在塗料或複合纖維裡的某些分子，使其乾得更快；這個步驟——稱為固化（curing）——被廣泛使用在包裝盒的印刷、或者飛機零件的製造上。若少了固化程序，企業就只能靠龐大的倉庫暫且存放物品，以等待它們乾燥。它們也能改變寶石的顏色，例如：加速器可以將天然無色或棕色的黃玉（topaz），轉變成好看、帶藍色的黃玉[8]。粒子加速器亦被運用來在半導體上佈植離子，以量身打造其在電子儀器（例如行動電話晶片）上的作用。

藍色的黃玉Blue topaz Craig Kohtz/Flickr, CC BY-NC-ND

五、拯救耶誕節

粒子加速器另一個常見的用途是在交叉鏈接（cross-linking）[9]上；粒子被拿來打斷材料裡的聚合物鏈，好讓它們能夠重新結合成更強勁的組態。最常見的如：讓電纜裡的塑膠具抗熱性、或是製造收縮膠膜（shrink wrap）[10]以確保你的耶誕火雞新鮮——塑膠事先被拉伸並接受電子束的撞擊，如此一來，當其日後受熱，就會再收縮回原先（拉伸前）的尺寸。這給了我們強韌又緊密的包裝，以保護你的火雞遠離有害細菌。

參考資料：

• 1. Graeme Burt (2016) Five ways particle accelerators have changed the world (without a Higgs boson in sight)

註釋：

• [1] 故事參考自〈科學史上的今天〉，二月二十二日赫茲誕辰。
• [2] 礙於篇幅，在此僅稍做著墨，也推薦對議題有興趣的讀者可以閱讀三分鐘科學的好文。
• [3] 出自台灣本土連續劇《世間情》的劇情。5566為台灣男子偶像團體。
• [4] 原文請參考 The Conversation。
• [5] 譯註：物質由原子組成；原子又是由電子和原子核（含有質子與中子）構成。粒子加速器一般即為加速電子或質子。有興趣的讀者可參考阿宅物理（3）。
• [6] 譯註：亦稱核磁共振。
• [7] 譯註：X光，或稱X射線（X-ray），為波長在0.01奈米至10奈米間的電磁輻射。關於其發現，可參考科學史上的今天。
• [8] 譯註：天然的藍色黃玉相當稀少。上述轉換寶石顏色的過程稱為gemstone irradiation。
• [9] 譯註：化學名詞。相關資訊可參考維基百科。
• [10] 譯註：常用在包裝上的透明塑膠膜，遇熱會收縮，可達成緊密包裝的效果。