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科學研究能吃嗎?粒子加速器的食用價值——抖宅翻譯蒟蒻

科學大抖宅_96
・2016/03/11 ・3528字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 558 ・八年級

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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。

source:wikimedia
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。

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  • *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
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。

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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。

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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
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。

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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。
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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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上網也要有「技術」!從言論、隱私到國安,你我都該懂的界線
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/12/18 ・2366字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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本文由 國家通訊傳播委員會 委託,泛科學企劃執行。 

以為鍵盤俠天下無敵?小心一個不留神就觸法!人們常忽略「網路並非法外之地」這個重要事實。不只現實生活中的法律同樣適用於網路空間,隨著科技發展,更多應網路特性而生的法律規範也相繼出現。從基本的言論自由到隱私權保護,從智慧財產權到國家安全,法律體系正全面性地回應數位時代的種種挑戰。

在臺灣,網路上的言論自由權利源自《憲法》第 11 條的明確規定:「人民有言論、講學、著作及出版之自由。」釋字第 509 號則指出,「國家應給予最大限度之維護,俾其實現自我、溝通意見、追求真理及監督各種政治或社會活動之功能得以發揮。」網路快速傳播的特性放大了言論的影響力,而大法官的解釋將言論自由的邊際刻畫得更明確,這在數位時代裡顯得格外重要。

網路與社群媒體的快速傳播,放大了言論的影響力。圖/unsplash

網路上的性、暴力與未成年保護

顯然言論自由並非是毫無限制,2023 年 11 月的一起案件就展現其中一種界線的樣貌。當時,一名 36 歲男子將他和網友在網咖的性愛影片上傳至推特,還寫下「《網咖包廂實戰計 1》我跟某公司 OL 戰鬥」等文字。這段影片一經發布,當事女子立即採取法律行動。最終,法院依其以網際網路「供人觀覽猥褻影像」的罪名,判處該名男子拘役 30 日,得易科罰金。這個判決清楚說明了,即便在虛擬空間,散布猥褻影像仍須承擔實質的法律責任。

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特別是在保護未成年人方面,法律的規範更加嚴格。《刑法》第 235 條明文禁止散布、播送或販賣猥褻物品,無論形式是圖文、聲音還是影像。而《兒童及少年性剝削防制條例》第 36 條更進一步禁止任何形式的兒童色情製品被製造、散布和持有。2019年彰化縣曾層發生過這樣一起案件:一名陳姓中年男子將9歲女童帶往居所,不僅強迫她觀看色情影片,還對她進行猥褻行為,甚至將過程上傳至 Google 雲端。儘管他後來試圖以資助女童就學表達悔意,法院仍以加重強制猥褻等罪,判處他 4 年 4 個月有期徒刑。

不實言論的散布同樣可能觸犯法律。2021 年 9 月爆發的「台大狼師案」就是一個警示。一名女大生在網路上指控教師誘騙她發生關係並傳染性病,幾個月後又指控對方對她進行強制性行為。當她提出告訴時,檢方卻查無性侵事實,加上她反覆的說詞,不僅性侵告訴失敗,還因誹謗罪反被加重判刑。

當駭客、間諜都轉戰網路戰場

2013 年,一名退役空軍上校赴陸經商時被情治單位吸收,返台後透過人脈網絡發展組織、刺探軍事機密,並以空殼公司掩護非法報酬,這個情報網持續運作了 8 年之久。

在涉及國家安全的議題上,法律的態度更是嚴厲。根據《國家安全法》第 2 條的規定,任何人都不得為境外敵對勢力及其控制的組織、機構進行資助、主持、操縱、指揮或發展組織,更不能洩漏、交付或傳遞公務機密,違反者將面臨嚴厲的刑事處罰。《刑法》規定,意圖破壞國體、竊據國土,或以非法方法變更國憲、顛覆政府者,處7年以上有期徒刑,首謀更要判處無期徒刑。

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抄襲與轉貼的邊界在哪裡?

在智慧財產權的保護上,臺灣也經歷了數位時代的轉變。台灣第一個網路著作權相關判決,就發生在傳統出版與數位平台的碰撞之中。南方社區文化網路負責人陳豐偉等三人在中山大學 BBS 上發表的文章,未經同意就被《光碟月刊》收錄在隨刊光碟中發行。三人向台北地檢署提告後,《光碟月刊》發行人兼總經理黃俊義被判處七個月有期徒刑,緩刑三年。這個判決為數位時代的著作權保護樹立了重要典範。

臺灣首例網路著作權案判決,為數位時代智慧財產權保護樹立典範。圖/envato

近年來,影音平台的著作權爭議更趨複雜。2022 年,知名 YouTube 頻道「觸電網」就因為片商車庫娛樂檢舉七十多支未經授權的影片,導致經營 12 年的頻道被迫下架。車庫娛樂透過律師聲明,這是針對「未經合法授權影音內容」的標準處理,並表明將追究民事與刑事責任。

受害了怎麼辦?申訴管道報你知

當我們在網路上的權利受到侵害時,可以根據侵害類型尋求不同的救濟管道。最基本的言論自由權利受到侵犯時,可以先向社群平台提出檢舉。若遇到更嚴重的情況,如散布猥褻影像、非法性私密影片等,除了平台檢舉外,還可以向警方提告,或是尋求衛福部「性影像處理中心」的協助。

在面對網路霸凌、不實言論時,可以向台灣事實查核中心、MyGoPen 等組織求助,協助澄清真相。若發現有害兒少身心健康的不當內容,則可以向 iWIN 網路內容防護機構提出申訴。這個由國家通訊傳播委員會支持的組織,會在受理後進行查核、轉介業者改善或依法處理。

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智慧財產權的侵害在網路時代極為常見,就像「觸電網」遭片商檢舉下架的案例。這類情況可以透過平台既有的著作權保護機制處理,情節嚴重者也可以提起民事訴訟要求賠償。若發現可疑的廣告或不公平交易行為,則可以向公平交易委員會檢舉;若是特定領域的違規內容,則應該向各該主管機關反映,例如藥品廣告歸衛福部管轄、證券期貨廣告則由金管會負責。

網路時代的法律規範正不斷演進,從個人隱私到國家安全,從言論自由到智慧財產權,每個面向都在尋求數位環境下的最佳平衡點。作為網路使用者,我們必須理解並遵守這些法律界線,同時也要懂得運用各種救濟管道保護自身權益。唯有每個人都清楚了解並遵守這些規範,才能共同營造一個更安全、更有序的網路環境。

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當心網路陷阱!從媒體識讀、防詐騙到個資保護的安全守則
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/12/17 ・3006字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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本文由 國家通訊傳播委員會 委託,泛科學企劃執行。 

網路已成為現代人生活中不可或缺的一部分,可伴隨著便利而來的,還有層出不窮的風險與威脅。從充斥網路的惡假害訊息,到日益精進的詐騙手法,再到個人隱私的安全隱憂,這些都是我們每天必須面對的潛在危機。2023 年網路購物詐欺案件達 4,600 起,較前一年多出 41%。這樣的數據背後,正反映出我們對網路安全意識的迫切需求⋯⋯

「第一手快訊」背後的騙局真相

在深入探討網路世界的風險之前,我們必須先理解「錯誤訊息」和「假訊息」的本質差異。錯誤訊息通常源於時效性考量下的查證不足或作業疏漏,屬於非刻意造假的不實資訊。相較之下,假訊息則帶有「惡、假、害」的特性,是出於惡意、虛偽假造且意圖造成危害的資訊。

2018 年的關西機場事件就是一個鮮明的例子。當時,燕子颱風重創日本關西機場,數千旅客受困其中。中國媒體隨即大肆宣傳他們的大使館如何派車前往營救中國旅客,這則未經證實的消息從微博開始蔓延,很快就擴散到各個內容農場。更令人遺憾的是,這則假訊息最終導致當時的外交部駐大阪辦事處處長蘇啟誠,因不堪輿論壓力而選擇結束生命。

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同年,另一則「5G 會抑制人體免疫系統」的不實訊息在網路上廣為流傳。這則訊息聲稱 5G 技術會影響人體免疫力、導致更容易感染疾病。儘管科學家多次出面澄清這完全是毫無根據的說法,但仍有許多人選擇相信並持續轉發。類似的例子還有 2018 年 2 月底 3 月初,因量販業者不當行銷與造謠漲價,加上媒體跟進報導,而導致民眾瘋狂搶購衛生紙的「安屎之亂」。這些案例都說明了假訊息對社會秩序的巨大衝擊。

提升媒體識讀能力,對抗錯假訊息

面對如此猖獗的假訊息,我們首要之務就是提升媒體識讀能力。每當接觸到訊息時,都應先評估發布該消息的媒體背景,包括其成立時間、背後所有者以及過往的報導記錄。知名度高、歷史悠久的主流媒體通常較為可靠,但仍然不能完全放下戒心。如果某則消息只出現在不知名的網站或社群媒體帳號上,而主流媒體卻未有相關報導,就更要多加留意了。

提升媒體識讀能力,檢視媒體背景,警惕來源不明的訊息。圖/envato

在實際的資訊查證過程中,我們還需要特別關注作者的身分背景。一篇可信的報導通常會具名,而且作者往往是該領域的資深記者或專家。我們可以搜索作者的其他作品,了解他們的專業背景和過往信譽。相對地,匿名或難以查證作者背景的文章,就需要更謹慎對待。同時,也要追溯消息的原始來源,確認報導是否明確指出消息從何而來,是一手資料還是二手轉述。留意發布日期也很重要,以免落入被重新包裝的舊聞陷阱。

這優惠好得太誇張?談網路詐騙與個資安全

除了假訊息的威脅,網路詐騙同樣令人憂心。從最基本的網路釣魚到複雜的身分盜用,詐騙手法不斷推陳出新。就拿網路釣魚來說,犯罪者通常會偽裝成合法機構的人員,透過電子郵件、電話或簡訊聯繫目標,企圖誘使當事人提供個人身分、銀行和信用卡詳細資料以及密碼等敏感資訊。這些資訊一旦落入歹徒手中,很可能被用來進行身分盜用和造成經濟損失。

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網路詐騙手法不斷進化,釣魚詐騙便常以偽裝合法機構誘取敏感資訊。圖/envato

資安業者趨勢科技的調查就發現,中國駭客組織「Earth Lusca」在 2023 年 12 月至隔年 1 月期間,利用談論兩岸地緣政治議題的文件,發起了一連串的網路釣魚攻擊。這些看似專業的政治分析文件,實際上是在臺灣總統大選投票日的兩天前才建立的誘餌,目的就是為了竊取資訊,企圖影響國家的政治情勢。

網路詐騙還有一些更常見的特徵。首先是那些好到令人難以置信的優惠,像是「中獎得到 iPhone 或其他奢侈品」的訊息。其次是製造緊迫感,這是詐騙集團最常用的策略之一,他們會要求受害者必須在極短時間內作出回應。此外,不尋常的寄件者與可疑的附件也都是警訊,一不小心可能就會點到含有勒索軟體或其他惡意程式的連結。

在個人隱私保護方面,社群媒體的普及更是帶來了新的挑戰。2020 年,一個發生在澳洲的案例就很具有警示意義。當時的澳洲前總理艾伯特在 Instagram 上分享了自己的登機證照片,結果一位網路安全服務公司主管僅憑這張圖片,就成功取得了艾伯特的電話與護照號碼等個人資料。雖然這位駭客最終選擇善意提醒而非惡意使用這些資訊,但這個事件仍然引發了對於在社群媒體上分享個人資訊安全性的廣泛討論。

安全防護一把罩!更新裝置、慎用 Wi-Fi、強化密碼管理

為了確保網路使用的安全,我們必須建立完整的防護網。首先是確保裝置和軟體都及時更新到最新版本,包括作業系統、瀏覽器、外掛程式和各類應用程式等。許多網路攻擊都是利用系統或軟體的既有弱點入侵,而這些更新往往包含了對已知安全漏洞的修補。

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在使用公共 Wi-Fi 時也要特別當心。許多公共 Wi-Fi 缺乏適當的加密和身分驗證機制,讓不法分子有機可乘,能夠輕易地攔截使用者的網路流量,竊取帳號密碼、信用卡資訊等敏感數據。因此,在咖啡廳、機場、車站等公共場所,都應該避免使用不明的免費 Wi-Fi 處理重要事務或進行線上購物。如果必須連上公用 Wi-Fi,也要記得停用裝置的檔案共享功能。

使用公共 Wi-Fi 時,避免處理敏感事務,因可能存在數據被攔截與盜取的風險。圖/envato

密碼管理同樣至關重要。我們應該為不同的帳戶設置獨特且具有高強度的密碼,結合大小寫字母、數字和符號,創造出難以被猜測的組合。密碼長度通常建議在 8~12 個字元之間,且要避免使用個人資訊相關的詞彙,如姓名、生日或電話號碼。定期更換密碼也是必要的,建議每 3~6 個月更換一次。研究顯示,在網路犯罪的受害者中,高達八成的案例都與密碼強度不足有關。

最後,我們還要特別注意社群媒體上的隱私設定。許多人在初次設定後就不再關心,但實際上我們都必須定期檢查並調整這些設定,確保自己清楚瞭解「誰可以查看你的貼文」。同時,也要謹慎管理好友名單,適時移除一些不再聯繫或根本不認識的人。在安裝新的應用程式時,也要仔細審視其要求的權限,只給予必要的存取權限。

提升網路安全基於習慣培養。辨識假訊息的特徵、防範詐騙的警覺心、保護個人隱私的方法⋯⋯每一個環節都不容忽視。唯有這樣,我們才能在享受網路帶來便利的同時,也確保自身的安全!

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希格斯玻色子之後,持續運作的大強子對撞機又做了什麼?
科技大觀園_96
・2021/11/01 ・2735字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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大強子對撞機(Large Hadron Collider, LHC)隸屬於歐洲核子研究組織(European Organization for Nuclear Research, CERN),是一座巨大的粒子加速器,它包括一個位於地底、周長 27 公里的粒子加速環,就像粒子的跑道一樣。質子或是重離子在超導磁鐵的引導下,在跑道上急速奔跑然後對撞,物理學家就從這些對撞事件中,尋找新的粒子,探究未知的物理。

粒子發現年表。2012 年,科學家在大強子對撞機的對撞事件中,找到希格斯粒子。圖/何庭劭繪

LHC 在 2012 年就撞出了眾所期待的希格斯粒子,當時的物理界一片歡欣雷動,而最早預測希格斯粒子存在的希格斯本人以及同年提出理論的恩格勒,也在隔年獲得諾貝爾物理獎。LHC 很快就把主線任務解完了,那然後呢? 8 年過去了,LHC 並沒有因為主線任務解完就退休,這些年來,它仍然努力的製造一次又一次的對撞事件,畢竟科學家預期在 LHC 的撞擊能量尺度,應該還可以看到一些新東西,然而實際情況是如何呢? 

發現希格斯粒子的關鍵事件:希格斯粒子衰變到雙光子。圖/陳凱風提供

偏偏不倒的危樓—標準模型

在 LHC 找到希格斯粒子之後,研究團隊於 2015 年底起,把 LHC 的對撞能量從原本的 7 TeV 或是 8 TeV(1 TeV=1012電子伏特)調高到 13 TeV,運作了 3 年,這段時期稱為 LHC 的 Run II。撞擊的能量愈高,就愈能撞出罕見的事件。更明確的說,LHC 能撞出的粒子質量上限,大約落在總撞擊能量的 1/6,(在粒子物理中,粒子質量通常以能量單位表示),比這個能量更重的粒子出現的機率太低,事件樣本也太少,因此要有更多觀察,就必須把對撞能量拉高,並且累積更多數據。

全世界的物理學家正在針對這 3 年的數據做分析,長期參與 LHC 實驗的臺大物理系教授陳凱風說:「雖然還沒有分析完,目前的確是存在一些不能被排除的意外訊號,但是統計上還不足以證實這些是新物理所造成的現象。」在尋找新粒子這個目標上,雖然研究成果豐碩,但是量測結果並沒有明顯超出標準模型的範疇。

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大強子對撞機近期 CMS 偵測器照片。圖/陳凱風提供

另一方面,研究團隊也希望根據新資料的分析,來修正標準粒子模型裡的參數,但目前測量出的結果,卻都和理論預測大致相符。「這是一種很詭異的感覺。」陳凱風形容。事實上,現有的標準粒子模型並不是很穩定,陳凱風說:「我們認為目前的理論架構一定有些毛病,但偏偏又找不出來。這就好像我們蓋了座危樓,但又找不出如何補強它,而地震來它還偏偏不會倒。大概就是這麼微妙的感覺!」

舉例來說,標準粒子模型包括了六種夸克:上夸克、下夸克、魅夸克、奇夸克、頂夸克、底夸克,以及六種輕子:電子、緲子、濤子,以及三種對應的微中子。而其中的頂夸克質量明顯比另外五個夸克大非常多,而微中子的質量小到無法直接測量,這在物理學家眼中,是不應該自然發生的;此外,標準模型也無法滿足這個幾乎只存在物質、絕大多數反物質都消失的宇宙。為了解決這個問題,物理學家也提出一些假設,例如,會不會其實還有更重的夸克與輕子、或是更多奇異的玻色子存在呢?「但從 LHC 的實驗結果,我們還沒有找到符合的訊號。」陳凱風說。

粒子物理標準模型的粒子成分。圖/Wikimedia commons

 「你當然也可以說,反正宇宙就是這樣運作,但我們覺得背後一定有某個機制導致這樣的結果,只是我們就是沒找到。」陳凱風並且以 100 多年前的元素週期表舉例,當初的週期表也是東缺西漏,但隨著一個個新元素的發現,這些缺口也漸漸被補滿。「而現在的標準粒子模型,就像是有著漏洞、明顯還沒完成的拼圖,卻又找不到東西來填補。」陳凱風說。 

臺大物理系教授陳凱風。圖/簡克志攝

Run III — LHC 改頭換面

儘管 LHC 的 Run II 呈現的結果意外的平靜,但 Run III 已經準備在明年啟動。

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在 Run III 階段,LHC 將把對撞能量再往上調高至 14 TeV以上,這是 LHC 當初設計的最大許可能量。另一方面,研究團隊將對 LHC 做許多技術上的修改測試。這是因為在 Run III 結束後,LHC 將進行一次大改造升級,要將每次參與對撞的粒子數量與密度提升,這樣一來,對撞事件發生的次數會跟著上升 5~10 倍。

為了因應這樣的升級,許多軟硬體、零件也必須跟著升級,其中最重要的一項就是偵測器。比如說目前 LHC 底下的 CMS 實驗所裝載的量能器,主要材料是以一種鉛鎢玻璃晶體為材料的閃爍體,而這些安裝在偵測器頂蓋處的晶體長期接受高輻射劑量,已經有了不少缺陷,變得愈來愈不透明了。陳凱風說:「試想如果升級之後,還用一樣的零件材料,那原本經過 10 年才會損壞的,現在只要 1 年就會接近無法運作了。」因此,偵測器必須跟著升級才行。

新的量能器(High Granularity Calorimeter, HGCAL)會以矽半導體材料為主,並且切分成 28 層排成一列,這樣做的好處除了較不易打壞外,每一層都能獨立送出粒子經過時的位置資料,可以更準確地描繪出粒子穿越偵測器的物理反應。目前由臺大物理系教授呂榮祥、裴思達主持的硬體實驗室,就正在研製這種新型量能器。再加上也會一同升級的各種裝備,未來可以對粒子的物理特性有更精準的量測。 

▲在臺大製作的次世代量能器模組(開發中),做為 LHC 底下 CMS 實驗的新型偵測器,影片中可以看到模組上膠的過程,本影片由臺大物理系呂榮祥教授提供。
▲在臺大製作的次世代量能器模組(開發中),為上述影片更進一步組裝的過程,本影片由臺大物理系呂榮祥教授提供。

LHC 有來自全世界 85 個國家、超過 8,000 位物理學家參與,可說是全世界最大的實驗計畫。但在加速器的發展上,LHC 可能還不是終點,未來計畫籌建的加速器計畫,還包括 CERN 的未來環形對撞機(FCC)、中國的環形正負電子對撞機(CEPC),以及日本的國際直線對撞機(ILC)等。

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雖然說這些計畫是否真的會有所進展,還要看未來的局勢發展,但我們不妨期待包括 LHC 在內的這些實驗計畫,會繼續帶給我們怎樣的驚喜!就如陳凱風在訪談快結束時所說:「希望我們下次討論的,是在對撞的數據中,我們發現了什麼有趣的新物理!」

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科技大觀園_96
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科學研究能吃嗎?粒子加速器的食用價值——抖宅翻譯蒟蒻
科學大抖宅_96
・2016/03/11 ・3528字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 558 ・八年級

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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。

source:wikimedia
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。

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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
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

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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。

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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。

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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
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:

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  • 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。
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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/