科学研究能吃吗?离子加速器的食用价值

作者: 科学大抖宅

来源: 科学大抖宅

发布日期: 2016-03-30 08:41:19

科学研究的实用价值往往超乎人类的预期,许多看似与日常生活无关的基础科学研究,实际上对科技发展和日常生活有着深远的影响。粒子加速器作为科学研究的重要工具,不仅在基础物理研究中发挥作用,还在医疗、安全、环境保护、工业制造等多个领域有着广泛的应用。

自从大抖宅开始进行物理研究之后,第二常被问到的问题便是:「这能当饭吃吗?有什么食(实)用价值?」虽然知识确实不能吃,许多基础科学研究乍看之下对日常生活也不会有什么影响,但若只以「能否拼经济」、「是否实用」来作为学术的评价标准,恐怕是忽略了科学影响世界的过往历史。当回顾许多重大的科学发现,才会惊讶地察觉:科学研究的价値,往往超乎了人类的预期。

著名的科学家赫兹(Heinrich Hertz),在十九世纪80年代用实验证实了电磁波的存在,而当他的学生追问其实用价值时,他给的回答则是「没什么用。」但是,一百多年后的今天,电磁波却无所不在地应用于我们的日常生活中(也包含了我们现在正阅读的电脑或手机)!

又如,我们常常用到的GPS全球定位系统,也运用了相对论的原理,对人造卫星上的原子钟进行时间的校准。如果少了相对论的修正,卫星定位就没办法精确计算出我们的位置。不过,一百年前爱因斯坦提出相对论时,大概也不能预知其在日常生活可以有这样的应用。同样地,当时的人若以实用性来评断相对论的价值,依现在的眼光来看,那就是大错特错了。

科学往往以我们想像不到的方式,显露出其宝贵之处:可能是在多年以后、也可能是在没人料到的层面、甚或可能是永远改变了我們对身处宇宙的理解。对许多人文、艺术领域,这也同样适用——马上可以有的产值,往往无法代表事物真正的价值。实际上,我们也不可能未卜先知哪个研究成果会被广泛运用,才去做相关研究。

同时,有许多的科学实验,虽看似跟生活毫不相干,但其背后运用到的技术,其实也与现实生活里的科技发展相辅相成、互相提携。例如,印象中像粒子加速器这么炫的东西,似乎只会在尖端的基礎物理实验中出现;然而,英国的兰卡斯特大学讲师Graeme Burt,便针对粒子加速器的生活应用,做了如下的详细介绍。总之,求知欲是人類最珍贵的宝物之一,而科学研究,则正是人类迈向知识瑰宝的必经路径。

粒子加速器乃是利用电场,将构筑物质的基本组件加速至非常高的速度/能量。起初,这些装置之所以被发明,是用來研究当粒子互相碰撞、或者撞击标的时候,会发生什么事情。这样的实验让我们能够去了解粒子、了解我们周遭的世界,以及了解核子物理学。其实单从知识面本身来看,那就已经对许多科技的发展而言至关重要,像是医院里的磁振造影扫描仪,和核能发电厂。

同时,也有中型的加速器,其所产生高强度的光或中子,让物理学家、生物学家、和药理学家可以研习材料、病毒、蛋白质与医药,并导致数不清的诺贝尔奖、以及崭新的药物和疫苗。它们甚至被巧克力和冰淇淋制造商拿来利用:以X光探究不同晶体结构的形成,以研发出最美味的产;或研究如何避免冰淇淋里出现冰块或变成粉状。

然而,最常见的粒子加速器并不是那个周长27公里的庞然大物,而是充斥在我们周遭的小型工业用或医药用加速器。

粒子加速器在现代医疗保健扮演了举足轻重的角色。正子断层扫描仪会使用到的同位素,通常就是在粒子加速器里被制造出来;再者,放射线治疗与成像所需要的X光,就是由加速后的电子射向标靶而产生的。在英国,国家健康服务正分别在曼彻斯特的克里斯蒂医院和伦敦大学学院医院建造特殊的放射线治疗中心,其将使用质子,而非一般的电子,来从事放射线疗法——这让治疗能够容许更大的标靶药物剂量,并且减低对周遭组织的伤害风险。

为了增加安全性,放射线疗法里的X光源,也广泛地在港口和机场被使用。这项科技可以用來扫描货物,以确保不会有任何东西走私进来。因着大多数货物尺寸的缘故,需要有粒子加速器来产生足夠高能量的X光。藉由两种相异能量的X光,我们甚至可以辨別出不同的材质。新一代的扫描仪甚或能够从X光(照到标物后)的散射而辨识出毒品或者炸药。

由粒子加速器來的X光还有着便利的副作用:消灭细菌和虫子;所以它们也被用在消毒设备,与烟草、穀物或香料上——杀死小虫子进而减少耗损。它们也能分解废水或废气里的有害成份以保护环境。粒子加速器产生的电子或X光亦有許多工业用途。它们可用來活化在涂料或复合纤维里的某些分子,使其干得更快;这个步骤——称为固化——被广泛使用在包装盒的印刷、或者飞机零件的制造上。

若少了固化程序,企业就只能靠庞大的仓库暂且存放物品,以等待它们干燥。它们也能改变宝石的颜色,例如:加速器可以將天然无色或棕色的黄玉,转变成好看、带蓝色的黄玉。粒子加速器亦被运用來在半导体上佈植离子,以量身打造其在电子仪器(例如行動电话晶片)上的作用。

粒子加速器另一个常见的用途是在交叉链结上;粒子被拿来打断材料里的聚合物链,好让它们能够重新结合成更強劲的组态。最常见的如:让电缆里的塑膠具抗热性、或是制造收缩胶膜以確保你的耶诞火鸡新鲜——塑膠事先被拉伸并接受电子束的撞击,如此一來,当其日后受热,就会再收縮回原先(拉伸前)的尺寸。这给了我们強韧又緊密的包装,以保护你的火鸡遠離有害细菌。

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