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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

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。

  • *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。

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
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。

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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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控制進食時間與熱量,小鼠可以更長命?

台灣科技媒體中心_96
・2022/05/22 ・2156字 ・閱讀時間約 4 分鐘

目前越來越多動物實驗的研究結果顯示,「特定時段禁食」在延緩老化或延長壽命上的效果,不比「限制總熱量攝取」差,甚至效果更好。

圖/envato elements

控制吃飯時間,可以延長壽命?

美國德克薩斯大學西南醫學中心的小彼得.奧唐納腦研究所 (Peter O’donnell Jr. Brain Institute) 研究團隊,今(2022)年 5 月 5 日在國際期刊《科學》(Science)公開研究論文,使用小鼠為實驗對象,研究進食熱量與進食時間,與小鼠壽命之間的關係。

團隊先讓小鼠自由的取食飼料 6 週後,再分成 5 個不同組別,分別是:

  1. 只能在日間每隔 90 分鐘進食、
  2. 只能在晚間每隔 90 分鐘進食、
  3. 只能在日間開始兩小時內進食、
  4. 只能在晚間開始兩小時內進食、
  5. 全天內每隔 160 分鐘允許進食。

這 5 組小鼠被限制攝取的熱量相同,實驗過後,再和完全自由取食且沒有限制熱量攝取的小鼠比較。

研究結果顯示,與完全自由進食的小鼠相比,有限制進食時間的小鼠平均壽命較長,其中第 2.4 組(只能在晚間每隔 90 分鐘進食,以及只能在晚間開始兩小時內進食)延長壽命的效果最好,平均可延長 35% 壽命;而只能在日間進食的兩組小鼠,平均可延長20%壽命。

與完全自由進食的小鼠相比,有限制進食時間的小鼠平均壽命較長。示意圖/envato elements

研究也觀察到其它有趣結論:

  • 隨著年齡增長,五組小鼠的體重,都比自由進食的小鼠更輕,且在非主要活動的時間(白天)進食的小鼠,白天的活動變多了。
  • 在完全自由取食的小鼠肝臟中,原本與老化相關的基因表現隨年齡增長而改變,有些基因表現降低,有些增加,且基因表現的晝夜節律性也隨老化而降低。但在只能晚間進食的兩組小鼠身上,這些因老化而造成的改變較少。

作者根據研究結果指出,僅僅限制熱量攝取而不在特定時間禁食,可以延長小鼠的壽命,禁食可以對延長壽命效果有加分的作用,而不是主要造成效果的原因。

研究凸顯了「晝夜節律」的重要性

國立陽明交通大學生化暨分子生物研究所教授 許翺麟 表示,目前越來越多,動物實驗的研究結果顯示,「特定時段禁食」在延緩老化或延長壽命上的效果,不比「限制總熱量攝取」差,甚至效果更好。

特定時段禁食,有可能比限制總熱量更能延緩老化。圖/envato elements

過去研究飲食中,熱量限制對老化與壽命的影響時,常常無法分辨原因到底是因為「總卡路里攝取較少」還是「固定且有規律的長時間禁食」。最近幾年,科學家開始針對此一問題進行更深入的研究。

去年一項使用小鼠的研究顯示,限制飲食的熱量可延緩老化的效果,可能大部分來自於長時間且有規律的禁食[1]。此外,另一項在果蠅的研究中也指出,不但是要有規律的禁食,何時禁食也同樣重要。最有效延緩老化的方式,要與動物本身的生理時鐘配合,在本來就比較少進食的時候進行禁食[2]

  • 編註:小鼠是夜行性動物,上述文字中的「日間」指的是白天光線照射,對小鼠而言是休息和睡眠的時段,「晚間」沒有光照,才是小鼠活動和主要進食的時段。

這次的研究中更進一步證實,單純只是限制總熱量攝取,只能提供很少的延長壽命效果,反而熱量限制並配合生理時鐘進行間歇性禁食的效果最好。小鼠是夜行性動物,日間禁食對延長壽命的效果,遠比夜間禁食的效果更加顯著,至於每日禁食 12 小時或 22 小時則差異不大。此外本研究也顯示,調控生理時鐘的基因在調控老化上的重要性。

配合生理時鐘進食很重要。圖/envato elements

人類比照辦理也會有用嗎?

許翺麟教授 說明,本研究最大的限制來自於其僅用單一品系、單一性別的小鼠來進行研究。從過去其他研究已知,飲食限制對不同品系與不同性別的動物,效果不盡相同。因此本研究雖然頗具參考價值,但是能否推論到其他品系的小鼠,甚至其他物種與人類,仍有待未來更多研究來支持。

雖說人類遠比實驗動物複雜,會影響老化的因素也不僅止於飲食,然而維持平衡且有規律的飲食習慣,加上適當的限制進食時間,也許是一種相對可行,且有效促進健康老化的方式。也期待未來更多相關研究,能協助我們進一步釐清這些結果在人類中是否相同。

參考文獻


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