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我們畫出了希格斯粒子,卻從未真的看到它——《科學月刊》

科學月刊_96
・2016/05/12 ・3511字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 563 ・九年級
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圖/CERN

文/葉致微|曾經只為學測唸物理,現在卻為瞭解物理學家發憤自習;把粒子物理當文化觀察,以社會學理解知識的生產與傳播。現就讀於英國愛丁堡大學。

2013 年是物理學界風光的一年,位於瑞士日內瓦的歐洲核子研究組織(CERN)正式對外宣布,實驗物理學家在大型強子對撞機(Large Hadron Collider, LHC)的實驗中,發現了希格斯粒子。別稱「上帝粒子」的「希格斯粒子(Higgs boson)」,在主流的粒子物理理論「標準模型(Standard Model)」中,扮演著關鍵角色:它負責給予基本粒子(fundamental particles)質量。自 1964 年被希格斯(Peter Higgs)與恩格勒(François Englert)等數名理論物理學家提為假說後,物理學界便殷殷期盼著高能物理實驗能夠證實此粒子的存在及作用。50 年後,期待成真,高齡 84 歲的希格斯與高齡 81 歲的恩格勒,也於同年獲頒諾貝爾物理學獎。大型強子對撞機因此得以順利閉關升級,兩年之後,撞擊能量翻倍成長,來到 13 TeV(13×1012 電子伏特),新任務是在 2020 年之前,更瞭解希格斯粒子的運作機制,以及探索任何超越標準模型、超越對稱性的物理發現。

希格斯粒子的發現引發了媒體爭相報導,一時間成為科學新聞的熱門話題。為了模擬宇宙大霹靂爆炸瞬間的高能量撞擊,建造號稱人類史上最大型實驗儀器的大型強子對撞機,必須鑿開深 175 公尺,長 27 公里的地底隧道,期間耗費無數時間、金錢、人力。因此,自 21 世紀初開始建造後,即成為媒體及社會大眾關注的焦點。在對撞機正式運轉之前,媒體論述關注於對撞機的實驗風險,擔憂如此高能量的軌道撞擊,恐在地球表面引發類似黑洞的效應:以龐大的引力吞噬地球上的物質。歐洲核子研究組織認真看待媒體及社會大眾對對撞機的觀感,所以,為排除此風險疑慮,成立了一個由獨立科學家組成的安全評估小組,監督對撞機的實驗安全性。2008 年之後,對撞機開始運轉,全球金融海嘯卻延燒各國經濟;緊縮的資源,使得歐洲對純科學、探索未知的資助,在媒體及輿論的關注下,備受爭議,歐洲核子研究組織甚至面臨預算被刪減。於是,延續著十餘年來社會對歐洲核子研究組織、大型強子對撞機的關注、猜疑,希格斯粒子的發現,不僅對物理學家意義非凡,對媒體、公眾來說,也終於有線索可以嘗試理解高能粒子物理的研究貢獻與價值。

在媒體報導希格斯粒子的熱潮中,除了文字說明之外,一批色彩豔麗、線條清晰的數位影像被大量使用(例如首圖及下圖);它們像是照片,似乎捕捉了希格斯粒子在對撞機內被發現的瞬間。然而,我們真的能夠以肉眼見證比原子還小的粒子嗎?如果答案是否定的話,這些數位影像呈現出了什麼樣的事實?身為一個觀看者,這些問題縈繞在我心中,久久不去。

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圖/CERN

希格斯教授獲頒諾貝爾物理學獎的當下,我恰巧在他任教的學校:英國愛丁堡大學,開始了科技與社會研究(Science and Technology Studies)的學業。著迷於科學溝通的我,參與了多場於愛丁堡(蘇格蘭首都)及倫敦(英格蘭首都)舉行,向社會大眾溝通希格斯粒子的推廣活動。因此,在一場位於蘇格蘭國立博物館舉行的科學講座,我旁聽到一段非常有趣,與這些數位影像有關的,物理學家與社會大眾的對話:

“請問,在這些影像當中,希格斯粒子在哪裡?”──社會大眾

“其實,影像裡並沒有希格斯粒子,我們只能看見它的行經軌跡。” ──物理學家

這段對話間接回答了縈繞在我心中的疑問:我們的確無法以肉眼見證希格斯粒子的存在。但是,在圖文並茂的媒體報導、溝通推廣情境之中,觀眾似乎以為他們能夠透過影像看到希格斯粒子;不過,溝通者卻明知事實並非如此。那麼,這些影像究竟意圖呈現什麼?我想要瞭解科學溝通者使用這些影像的用意。

我訪問了上述對話中的物理學家安潔莉卡(化名)。安潔莉卡曾是希格斯的學生,目前在愛丁堡大學物理系任教,同時也參與了大型強子對撞機的實驗。因此,她十分瞭解希格斯粒子研究,也有豐富的公眾溝通、科普教育經驗。她告訴我,這些影像是在實驗結束,以實驗數據重建而出的模型。她在蘇格蘭國立博物館的講座所使用的影像,由和她一起在對撞機進行實驗研究的博士班學生設計。歐洲核子研究組織自行開發了一套數位影像製作軟體,提供給成員使用,當有人需要圖像輔助說明,特別是在公眾場合解釋希格斯粒子研究時,這些學生便將對撞機所記錄下來的實驗數據輸入影像製作軟體,篩選出畫面最清晰、線條最乾淨的資料視覺化(data visualization)結果,再輔以更生動的 3D 圖像設計、更鮮豔的色彩配置,完成一張張美觀的數位影像。這些影像在對外流通之前,需要經過內部審核;它們要被上傳到組織內的共同檔案空間,沒有成員提出任何疑慮或異議之後,才能開放使用。也就是說,這些影像並不是物理學家們拿來觀察、分析、判斷希格斯粒子是否存在的第一手實驗證據;它們是為了方便展示實驗結果,促進溝通而被創造出來的影像。

對於粒子物理學家來說,沒有人能夠親眼目睹希格斯粒子。粒子物理以量子力學為理論基礎;理論上來說,粒子具有波動性,會隨著時間移動,並產生能量與質量的轉換,所以,希格斯粒子並非具有固定形狀、位置的物質。負責給予基本粒子質量的希格斯粒子,其實是希格斯場的擾動(像是水面上的漣漪),一旦測量到擾動,便能證實希格斯場的存在。另外,對測量方法而言,對撞機每秒製造出 6 億次撞擊,裡頭的粒子以近乎光速的速度前進,撞擊後又以不到 10-22 秒的時間衰變。實驗物理學家根本來不及看到,更無法捕捉希格斯粒子,只能設計最先進的探測器,記錄衰變瞬間對撞機內的物理現象,並將之數位化。隨後,再根據衰變數據,例如:各種粒子的軌跡、動量和能量等性質,分析是否有符合理論預測的希格斯粒子衰變,間接證實希格斯粒子的存在。因此,發現希格斯粒子的過程,跟視覺上的觀察毫無直接關係,而是一連串的數據演繹;統計圖表(例如下圖),反而是粒子物理學家在社群內部經常使用的影像,它們所代表的特定數據,正好符合希格斯粒子及其衰變的物理性質。也就是說,物理學家們,其實是透過數據,「看」見了希格斯粒子。

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圖/CERN

然而,縱使安潔莉卡知道希格斯粒子無法由肉眼觀察,她仍然認為那些實驗完畢之後才設計出來的影像,對一般觀眾來說,就好比相片,逼真地呈現出希格斯粒子在對撞機裡被撞擊而出的模樣。這也是為什麼,影像中並不會顯露出實驗數據(頂多保留實驗發生時間),因為唯有如此,畫面才會像是一張張捕捉瞬間的相片,讓觀者產生身歷其境的感受。科學史學家謝平與夏佛在 1985 年出版的《利維坦與空氣泵浦》一書中,論述過「親眼見證」實驗的操作成功,對於科學能取信於人,並廣為散播,有著關鍵的作用。所以,我認為這些如相片般的生動影像,也有「親眼見證」的功能;由於親眼目睹大型強子對撞機的實驗過程,以及希格斯粒子的存在,是一件理論、實務上皆不可能的任務,因此,為了在媒體、社會大眾之間,製造「虛擬的親眼見證」的效果,粒子物理學家們運用了想像力、創造力,以及藝術天分,「具象化」了希格斯粒子的存在;而觀眾,在科學溝通、教育推廣的情境之中,除了以理智瞭解希格斯粒子的意義,更以感官、想像,去體會希格斯粒子的存在。

歐洲核子研究組織所創造出來的這些數位影像,大量的出現在科學公眾溝通的情境之中:電視、網路、報章雜誌、博物館、科學節等等。歐洲核子研究組織甚至號召藝術家,以這些影像為靈感創作,串聯出蝴蝶效應一般的親眼見證、集體共感。這種影像與觀者的互動關係,與我們的刻板印象,認為科學是理性、邏輯的;科學影像是客觀、真實的,有所不同。科學傳播的過程,在這個案例之中,是理性與感性、邏輯與美感的緊密交織。換句話說,縱使希格斯粒子並不具備可供肉眼觀察的性質,實體影像依然扮演著溝通橋樑的角色,將物理學家抽象的知識追尋「翻譯」成生動的獵捕、發現瞬間,提供社會大眾一個具象的學習媒介,領略科學的博大精深。然而,觀看者若是能反思溝通情境中,「轉譯之必須」所帶來的「失真之可能」,也許當前大舉「有圖有真相」的影像溝通文化,可以受到更多的懷疑與檢視。下次,在看到科學影像時,不妨大膽提問影像和真相、溝通者和接收者之間的交互關係究竟是什麼。


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本文選自《科學月刊》2016 年 4 月號

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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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