2015年10月23日 星期五

諾貝爾獎特寫:知錯能改的DNA

今年諾貝爾化學獎頒發了給3位研究DNA修復機制的科學家,這是生物化學中一個非常重要的發現。

生物化學,一直是令醫科生又愛又恨的東西(雖然大部分人都是恨遠遠多於愛)。理性上,我們都知道生物化學,特別是遺傳學,是醫學的未來。掌握遺傳學,可以說是差不多等如掌握了人類的生與死。但感情上,生物化學本身已經複雜(主要是因為科學家很喜歡為每種酵素蛋白都起個名字,單是記名字已記死人了),發展得又快,無時無刻都有新發展新研究要學習,但我們醫學院偏偏教得雜亂無章,「東一忽,西一忽」,與某些醫學課題相關的生物化學知識就約略教一下,但又從沒有讓醫學生學好基礎的知識,變成「未學行,先學走」,根本不可能做到融會貫通,難免令人敬而遠之。

 其實,生物化學可以是很熱血的。不久前,史丹福看了著名科學家,諾貝爾醫學獎得獎者,DNA結構的發現人James Watson的著作《DNA:生命的秘密》。那是一本DNA科學發展的簡史,看到上世紀50年代開始一班生物化學專家如何死心不息地鑽研生命的秘密,令分子生物學以科學史上最高速地發展起來,根本就是一件非常熱血沸騰的事。小弟覺得唯一一個可以與它相提並論的時代就是2030年代量子力學的發展,那又是另一個充滿天才的年代,在科學界來說,那時代的科學家(SchrodingerHisenbergDirac…)都是巨星級的。小弟有空真要介紹一下那兩個振奮人心的年代。

不過在小弟未介紹那個年代的巨星科學家之前,還是先容小弟以在醫學院學的非常僅有的生物化學知識,介紹一下今屆諾貝爾化學獎的研究。

好,先來重溫一些高中學過的入門級知識。DNA由基本單位nucleotides組成,nucleotides分成3部分,分別是nitrogenous basedeoxyribose (一種糖)phosphate。大家都一定見過DNA那舉世知名,深入民心的雙螺旋結構吧? 就像一條扭曲了的拉鏈。拉鏈有兩條平行的窄布料,中間有凸凹的齒把它們扣著,而deoxyribosephosphate就是那兩條平行的布料,nitrogenous base就是那些凸凹的齒。

Nitrogenous base是隱藏了生命密碼的地方,我們電腦用的密碼很複雜,可以用A-Z0-9、大細階,符號,有時候改密碼甚至規定你一定要有數字字母大細階,麻煩到極,但生命的密碼反倒很簡單,只由4個成分的組合所組成,就是adenine (A)thymine (T)guanine (G)cytosine (C),簡單得科學家有很長的時間都不願相信生命的密碼就放在DNA中。他們覺得蛋白質由20種胺基酸組成,用它當遺傳密碼合理得多啊。當然,最後證實他們錯了,有位科學家Frederick Griffith在研究肺炎鏈球菌的品種變換時證明了DNA才是隱藏生命密碼的地方。

拉鏈由凸凹齒互相扣著連起來,而DNA則又nitrogenous base的氫鏈互相連著,A連著TG連著C

DNA一個厲害的地方,就時它可以複製自己。我們身體成千上萬的細胞,上至腦細胞,下至腳指公的細胞,都有著同一套的DNA,因為它們都是複製自同一套DNA,也就是受精卵的DNA

DNA的複製過程是怎樣的呢? 真實世界當然是非常非常複雜,但盡可能簡化來說就是:
一,把拉鏈拉開,一對拉開成兩條
二,為兩條拉鏈找出對應的新拉鏈,重新拉上

於是就有了兩對拉鏈,各由一條舊的和一條新的拉鏈組成。

再用回生物化學的語言:
一,把拉鏈拉開及拉直(別忘了DNA不單是拉鏈,更是扭曲了的拉鏈)的兩種酵素叫helicaseDNA topoisomerase,而另一種蛋白質single-strand binding proteins就負責維持拉鏈拉開,防止它們私自重新結合。
二,之後新的nucleotides連上剛拆開的DNA,一種叫DNA polymerase的酵素重新把拉鏈拉上。



這看似很簡單很美,但問題是,拉鏈是會壞是會扣錯的。拉鏈扣錯最多關不到背包,但DNA扣錯就會干擾了生命的密碼,可以發生很可怕的事,例如是癌症。但據科學家觀察,DNA似乎很可靠,很少扣錯,少得不太合理。他們再進一步研究,發現原來DNA不是不會壞不會扣錯,紫外光、吸煙等,通通都很易令這條拉鏈拉錯,只不過它們「知錯能改」,扣錯就再扣過,「唔啱扣到啱」。而今年諾貝爾化學獎得獎的科學家就是研究DNA如何「知錯能改」,如何「唔啱扣到啱」。

大家都知道曬太陽容易引致皮膚癌,但為甚麼呢? 因為陽光中的紫外光可以破壞DNA,其中一個常見的破壞就是令兩個相鄰的thymine以碳碳雙鏈 (C=C)連起,就像拉鏈的凸凹齒不再跟對面的凸凹齒連起,而是跟在同一條布料上的相鄰凸凹齒相連,如下圖般。這條壞了的DNA,當然不能正常複製。這個相連方法形成的thymine-thymine dimer,就是形成皮膚黑色素瘤,最凶狠的一種皮膚癌的原兇。



但我們每天都會被太陽照到,為何這麼少人有皮膚癌? 當然就是因為DNA「知錯能改」。這裡介紹的第一個機制叫nucleotide excision repair (NER)。當拉鏈的凸凹齒亂連上,拉鏈的形狀也當然有了改變。當修復系統的酵素偵測到這結構上的改變,就會把出錯處理同附近的一小段DNA剪出,然後靠著對面的那條DNA重新複製出被剪了的那一段。



醫學上,如果有病人的這個機制出了問題,就大件事了。他們就會得到一種可怕的怪病──xeroderma pigmentosum (中文名字叫著色性乾皮症),全身不停生出黑色素瘤,體無完膚。



相較起xeroderma pigmentosum,另一個醫學上更重要的遺傳性致癌疾病叫HNPCC (hereditary nonpolyposis colorectal cancer) (中文名字很繞口,叫遺傳性非瘜肉結直腸癌綜合症,相信沒有人記得到這又長又煩又累贅的名字,所以還是叫它HNPCC),重要在每年有三千多宗新結腸癌新個案,當中有4%,即大約120人與這疾病相關。得到HNPCC的人,高達80%的會在70歲前患上結直腸癌,而且患上其他一大推癌症(子宮、卵巢、胃部、膽管、小腸、尿道、腦、皮膚…)的機會,也比一般人高。

HNPCC的患者當然也是因為DNA修復機制的錯誤,不過這次不是因為nucleotide excision repair出錯,而是另一機制出錯,那機制叫DNA mismatch repair

剛才說過,DNA在複製時,A總連著TG總連著C,但有時候不知怎的,複製時侯會連上一個錯的nucleotide,或是連多了或少了。這時DNA mismatch repair機制就會把出錯處理同附近的一小段DNA剪出,然後靠著對面的那條DNA重新複製出被剪了的那一段。




我們DNA的序列有時會連續重覆數十次,例如CACACACACACACACACACACA,我們稱這連續重覆的序列為DNA microsatellite。你可以想像,如果我要你抄一推亂碼,如ATTGCCTTGTCGA,你應該不易抄錯,因為你可以隨時對一下前後的序列而確保自己抄得正確。但如果要你抄寫CACACACACACACACACACACA…,抄錯機會應該很高吧,因為它們太相似,很快你就不知道自己抄到第幾個CA,很容易抄多抄少。所以我們就特別需要DNA mismatch repair機制為我們改正DNA microsatellite的出錯。



DNA mismatch repair機制主要靠MLH-1MSH-2MSH-6等蛋白質,所以如果它們有缺憾,DNA複製microsatellite時就很易出錯,複製多了或少了,這情況叫microsatellite instability。生命的密碼一出錯,又會有癌症了。NHPCC就是這樣得來的。

HNPCC是香港大學病理部門的重點研究,有位教授更是當中的高手,所以出身香港大學的醫科同學都對它或多或少有點認識。而且香港大學病理部門也提供了很詳盡的服務為病人檢測HNPCC

HNPCC是如何檢測的呢? 首先我們會把手術切割出來的癌組織拿去做分子檢查,看看它的microsatellite序列有沒有多了或是少了。舉個例子,正常應該是CACACACACACACACA,共8次重覆,而癌組織中卻出現CACACACACACACA,共7次,這樣癌組織出現了microsatellite instability的情況,所以很大機會病人是得了HNPCC。之後我們拿病人一點血,真接測試MLH-1MSH-2MSH-6等基因有沒有出錯就可以確診了。因為HNPCC是遺傳病,所以我們一般都會為家屬都進行檢查,如果他們有MLH-1MSH-2MSH-6等基因出錯卻還未有癌症,我們就可以為他們進行更頻密的結腸鏡或婦科檢查,即使他們得了癌症,都可以及早發現,在早期時治療。

最後一種要介紹的修復機制叫base excision repair。還記得在DNA中,A永遠連著TG永遠連著C? 但有一些化學致癌物,可以把C化學改變成U,這可不妙了,DNA中原本就不可能有U!這又是修復機制出場的時候了,nucleotides分成3部分,分別是nitrogenous basedeoxyribose phosphateC變成了U,其實只是base出錯,所以其實可以不理其他部分啊,只要切走那個base就可以了。修復過程大致如下,一種叫DNA glycosylase的酵素先切走那個錯的base,現在拉鏈的凸凹齒移走了。布料有個地方有個地方多了個空位,另一種叫AP endonuclease的酵素把那段布料都切走,然後又靠著對面的那條DNA,用DNA polymerase重新複製出被剪了的那一段。




最後,用一幅出自Marks,著名的醫科生物化學教科書的圖片總結一下。


2015年10月19日 星期一

《我的少女時代》:令人懷念的初戀暗戀心跳回憶



《我的少女時代》早在台灣上畫時已經好評如潮,叫好叫座,被捧為女性的《那些年》,令人期待已久。

電影沿用小弟最喜愛的,台灣青春電影那種讓你初段笑得肚痛,後段哭得眼紅的模式。而且一幕幕青春的畫面,令人很懷念,勾起了大家很多青春的回憶。

青春,大家都曾經有過。而一部成功的,令人有共鳴的青春電影,就是要勾起大家青春的回憶。當年《那些年》大受歡迎,當然是成功的。而《我的少女時代》被譽為女性版《那些年》,相信也勾起很多女生的回憶。每個女生的青春,都總有一個對你好的男生,一個男神,一個偶像,幾個知心好友,幾個令人討厭的師長,幾次叛逆的經歷。

不過,電影勾起很多女生回憶,是可以預料的。這電影最厲害最令人驚喜之處,在於它在結尾筆鋒一轉,從男生的角度出發,再把這份似有還無的感情回顧一次,竟然把男生也殺過措手不及,看得鼻子酸酸,眼睛紅紅。徐太宇是很傻很傻,但那些傻事,不正正是你和我當天為自己的初戀暗戀做過的嗎?

「喜歡一個人,是不知不覺的。」

「我第一次發現,心,可以跳得那麼快。」

「原來,喜歡一個人,會沒有勇氣告訴她。」

「對你越壞的人,其實是想跟你拉近距離。」

「長大之後才知道,砸水球比賽第一個所砸的人, 不是因為你討厭他,而是因為你眼裏只有他。」

「我的願望,就是希望你的願望裡,也有我。」

「謝謝你,出現在我的青春裡。」

還未學懂怎去愛,卻不慎墮進了愛河。這不正正就是當年的你和我嗎?當年的傻事,當年的青春,當年的心跳回憶。

除了劇情外,本片最值得一讚的是演員。《等一個人咖啡》的宋芸樺清純可愛,是位討人歡喜的大學生。《我的少女時代》的宋芸樺除了繼續清純可愛外,更用來前段一大半時間做一位笨拙醜怪的傻大姐,很有喜感,到後段情感爆發的時候,更做到「話笑就笑」,「話喊就喊」,天台上在雨中以笑遮淚,我見猶憐的無奈表情,更是非常精彩的演技演出。試問有那個看到後不心痛?王大陸也把一位壞學生演得入班入格,表面是位壞學生,暗地裡卻是位一往情深的情聖,相信有不少女生都看得心動了吧。有時候,我會想,為什麼台灣可以拍得出《那些年》,拍得出《等一個人咖啡》,拍得出《我的少女時代》,香港為何就拍不出如此精彩感動的青春片,也許其中一個原因就是香港真的沒有適合的演員去拍。

再另一個要讚的是結尾的驚喜。假如你完全沒有被人劇透的話,到結尾的客串演員,是一個比一個精彩。而且當你再回想,會發現電影是不知不覺地為這結局做了很多精心的安排的。這份心思,抵讚。

好,讚得多,說一說小弟略嫌不夠好的地方,就是電影有些情節太戲劇性,好像不是屬於真實世界似的(俗稱「太tvb)。好像一個好學生因為覺得自己累死了好朋友而放棄自己,放任做壞學生;或者主角一言不發地離開,原本自己有大病要做手術;這些情節總是有點不太自然真實的,雖然這明顯是為了編排感動位,但這幾個感動位就略嫌不夠自然流暢。《那些年》就沒有這個問題,也許是因為《那些年》是九把刀的真人真事,所以更覺自然。不過不要緊,因為電影整體而言太精彩,這些小問題絕不足以影響小弟對電影的觀感。

總之,只要你有青春過,心跳過的回憶,你就會喜歡這電影。

「時間會改變一個人,會改變很多事。但是,只有一件事不會改變,那就是──回憶。」

史丹福推介度:88/ 100

P.S.
看完電影,女朋友早已泣不成聲,哭成小淚人,很是可愛。
但她一直到電影完結後也不肯離場。「等其他人走哂先啦,唔可以比人見到我咁樣呀,好醜怪。」
終於到最後,她躲了在我背後,耍我遮著她才肯離開。
她:「佢地好慘呀。你寫唔寫到D咁感動既故事?
我:「我以前都寫過啦。」
她:「咁你不如再寫比我睇啦,我會好鍾意架。」
我:「Hmmm… 好啦,有靈感就寫啦。」

所以,我想我也是時候再次提筆,寫一個感動的愛情故事。呵呵呵。

2015年10月14日 星期三

諾貝爾獎特寫:粒子物理made easy 2之「上帝粒子」

上回說到,上世紀其中一個最強勁的科學理論──標準模型預言世界萬物都是由61種基本粒子組成,稱它們為基本,因為它們已經分無可分,是最小的單位。它們包括上回介紹過的36種夸克,12種輕子,8種膠子,連同光子、W+玻色子、W-玻色子及Z0玻色子,最後一種,就是尋尋覓覓近四十多年,在2012年終於被歐洲核子研究組織(CERN)的超級強子對撞器發現,無人不知,無人不曉,震驚全世界,小數可以上得到港聞頭版的科學發現,號稱「上帝粒子」的希格斯玻色子。

史丹福作為超級科學小粉絲,於不久前去歐洲畢業旅行時,都特意去上帝粒子的發現地CERN一敞朝聖。可惜當時很多展覽館都在維修中,史丹福只能在紀念品店買些紀念品,當到此一遊。




好,言歸正傳。

話說大家還記得之前提過的電弱統一理論嗎? 這理論很厲害地純一了電磁力及弱作用力這兩種看似的大相逕庭作用力,它提出電磁力及弱作用力根本上就是同一種力,只不過光子沒有質量,W+玻色子、W-玻色子及Z0玻色子則很重衰變得很快,所以電磁力可以遠及無限距離,弱作用力則只可以在原子核這個非常短的距離內發生作用。

但這個理論有一個技術性的問題,物理學中有一條金科玉律,叫「規範對稱」。根據該理論,力量載體不可有質量,要不是數學上就會一發不可收拾。但明明WZ玻色子的確有質量呀,怎麼辦呢? 你有張良計,我有過牆梯。希格斯(Peter Higgs)等科學家有個想法,可以讓本應沒有質量的WZ玻色子後天取得質量,他們設想空間中充滿著一種粒子,當沒有質量的粒子穿過它們時,就像經過糖漿一樣,越行越慢,慢慢就不可再以光速移動了。

舉多一個比喻,當一位靚模穿過一個滿佈毒男粉絲的地方,她本可以行得很快,但毒男粉絲見到她,就會堆在她附近,阻礙它前進,受到這些狂風浪蝶影響,靚模只好越行越慢。在這裡,靚模就是沒有質量的粒子,如剛產生的WZ玻色子,而毒男粉絲就是「上帝粒子」──希格斯玻色子。(真失禮,把鼎鼎大名的「上帝粒子」比喻為毒男,沾污了它的威名。)

在宇宙剛誕生時,溫度及能量都很高,空間未充滿希格斯玻色子,所以W+玻色子、W-玻色子及Z0玻色子是沒有質量的。所以在宇宙剛誕生時,電磁力就是弱作用力,它們是完全一樣的。但當溫度慢慢下降,「毒男」希格斯玻色子出現了,為WZ玻色子帶來質量,於是電磁力及弱作用力從此分道揚鑣。

「上帝粒子」之所以是「上帝」,因為它創造了質量,若沒有了它,世上物質都會如光子一樣,無形無體,而世間萬物,都會不復存在。


到這裡為止,標準模型的61種粒子都被介紹了。看,沒騙你的,粒子物理都不是這麼深不可測、生人物近吧?

最後,用小弟在CERN買的紀念品,再總結一次標準模型的所有基本粒子。


這個來自維基的summary也很不錯。


2015年10月11日 星期日

諾貝爾獎特寫:粒子物理made easy

今屆諾貝爾物理學獎得獎者是兩位粒子物理學家,他們發現了中微子振盪,證明中微子是有質量的。

甚麼? 中微子振盪? What the hell? 一般常人對物理,特別是粒子物理,總有一總望而生畏,敬而遠之的感覺。其實如果你要完全明白粒子量化的行為,當然牽涉到極高深的數學及抽象理論,但如果你只想明白個大概,其實粒子物理並不是那麼可怕的,甚至是十分幽默有趣。因此史丹福決定借粒子物理學再奪得一諾貝爾獎的時刻,為大家介紹一下最簡化,最淺白的粒子物理理論,讓大家認識一下我們的世界,我們的宇宙,是由甚麼組成的。



首先介紹幾個最基本的概念,其中一些概念有很可愛的又很奇怪的名稱,因為粒子物理學家大多都很幽默的,很喜歡「玩嘢」,特意改一些很貼近生活,不很「科學化」的名稱:

1. 反粒子 (antiparticle):大家在鏡裡面看到的自己,樣子相同,左右卻調轉。反粒子就好像鏡裡面的粒子,質量相同,但其他的物理性質都調轉,電荷、色電荷、自旋等都調轉。大家聽過正電子掃瞄嗎? 中學不是教電子是帶負電的嗎,為何會有正電子? 原來正電子就是電子的反粒子,質量相同,但電荷調轉。

反粒子構成的物質就是反物質,而反物質和物質一旦相遇,就會互相消滅大家,釋放出巨大能量,這個過程叫做湮滅。大家有看過Dan Brown的《天使與魔鬼》嗎? 小說也好,電影也好。那差點把梵蒂岡完全炸毀的,就是從CERN偷出來的反物質。

2. 色電荷 (colour charge):這概念用電荷來做比喻比較好解釋。很久以前,科學家發現物質有種特性,該特性有兩種狀態,兩種相同狀態會互相排斥,兩種不同狀態會互相吸引,他們加起來又會互相抵銷。科學家想用一個人們常用的概念去為它命名,令大家都容易理解,所以有了「正電荷」及「負電荷」兩個概念,其實「正電荷」沒有甚麼「正」,「負電荷」也沒有甚麼「負」,只不過電荷剛好有兩種狀態,正負同樣是兩個狀態,所以用此命名,易於理解。其實假如當初科學家把它命名為「左、右」、「上、下」,其實一樣可以呀。

同樣地,後來科學家又發現了另一種特性,今次有三種狀態,於是科學家就以顏色做類比,把三種狀態命名為「紅、藍、綠」這三原色,把這特性稱為「色電荷」。其實紅粒子不是紅色,藍粒子不是藍色,綠粒子不是綠色。道理與正負電荷一樣。

紅光加藍光加綠光會變白光,同樣地紅粒子加藍粒子加綠粒子會變白粒子,而我們世界所有物質,所有獨立存在的粒子,都必須是白色的,所以只有幾個可能組合,分別為「紅 + + 綠」、「紅 + 反紅」、「藍 + 反藍」、「綠 + 反綠」。反顏色就是之前提及的反粒子的顏色。

3. 味道(flavour) :甚麼? 顏色之後又有味道? 不錯,早就跟你說過粒子物理學家是很幽默很「玩嘢」的,特別是大名鼎鼎的葛爾曼(Murray Gell-Mann),他「玩嘢」程度到達極致,曾用佛家的「八重道」為粒子理論命名,另外他又曾用海鷗的叫聲為粒子命名,海鷗quark quark叫,所以有了quark這種粒子,也就是之後會介紹的夸克。

至於味道,有一次葛爾曼與朋友在雪糕店聊天,發現雪糕球好像粒子,不僅色彩繽紛,更有朱古力、雲哩拿等不同味道,於是它就把不同種類的粒子稱為不同的「味道」。今次諾貝爾獎主角中微子就有3種味道。

4. 自旋 (spin):這概念不太好解,有一點類似經典力學中的角動量。還記得當年A level chemistry教的electronic structure? 電子有n, l, m, s四個quantum number,當年我們不是有很多甚麼1s2 2s2 2p6 3s2 3p6,有印象嗎?

沒有印象? 好,喚醒一下大家A level記憶。



對,當中的4s1s就是spin number,自旋數的意思。電子的自旋數,可以是+1/2,或是-1/2。有的印象了嗎?

5. 世代 (generation):粒子分三個世代,我們的宇宙,有超過99.99…%的物質都是由第一世代粒子組成的,第二第三世代粒子很高質量,也就是很高能量,所以很不穩定,很容易衰變成第一世代的粒子,所以它們只於宇宙開始初期,或經粒子對撞器產生超大能量時才存在。

好,有了這些基本概念後,我們可以慢慢介紹每種基本粒子了。

根據其中一個本世紀最強的物理理論──標準模型(standard model),最基本的粒子共有三大類,夸克(quarks)、輕子(leptons)及玻色子(bosons)



夸克(quarks)6種味道,分別為上(up)、下(down)、魅(charm)、奇(strange)、頂(top)、底(bottom)。其中,updown為第一世代,charmstrange為第二世代,topbottom為第三世代。記得之前提過,宇宙絕大多數物質,都是由第一世代粒子組成嗎? 所以我們最常接觸的中子(neutron)、質子(proton),都是由三粒第一世代夸克,也就是上及下組成的。中子由一上兩下組成,質子由兩上一下組成。

為甚麼是3? 因為要3種顏色,紅、藍、綠才能組成白色的中子、質子嘛,還記得嗎?

上、魅、頂有+2/3電荷,下、奇、底有-1/3電荷。所以你計一計,就得到中子帶零電荷,質子帶+1電荷。

由三粒夸克組成的粒子,如中子、質子,叫重子(baryon),另外一類又兩粒夸克組成的粒子,叫介子(mesons),它們是由夸克與反夸克結合而成,就顏色而言,它們可以是「紅 + 反紅」、「藍 + 反藍」或「綠 + 反綠」。如香港人較熟悉的諾貝爾物理學得獎者丁肇中發現的J/ψ介子就是由一粒魅夸克和一粒反魅夸克組成。而湯川教授預測的π介子則是又上夸克及下夸克的夸克反夸克組成的。這裡說的湯川教授,不是那個很英俊有型,迷到萬千少女,剛剛新婚令大量師奶連煮飯動力都失去的「神探伽利略」福山雅治,湯川學教授;而是日本第一位諾貝爾獎得獎者湯川秀樹教授。不說你不知道,據聞湯川學的角色原形就是這位日本物理巨人湯川秀樹教授。

6種味道,3種顏色,正反粒子,6x3x2,所以夸克一共有36種。

至於輕子(lepton),最鼎鼎大名的莫過於初中生都認識的電子(electron)。而渺子(muon)及陶子(tauon)的性質與電子差不多,只不過質量更大而已。電子、渺子及陶子分別是第一、第二及第三世代的粒子。

而今次諾貝爾獎的主角中微子(neutrino)也是輕子。它們有三種味道,對應其他三種輕子,反別是電子中微子、渺子中微子及陶子中微子。

大家會考或dse時學過的beta decay,是由中子衰變成質子及電子的。但原來這並不是故事的全部,科學家發現在這衰變過程中,有一些能量靜靜消失了,但根據能量守恆定律(conservation of energy),能量不會自己消失,所以物理學家Pauli提出或者有一種粒子,靜悄悄地帶走了那點能量。「悄悄的我走了,正如我悄悄的來。我揮一揮衣袖,帶走了一點雲彩」,就是那些少許的能量。

中微子是一種神出鬼沒,幽靈般的粒子。它沒有電荷,接近零質量。說它像鬼,因為沒有人看得見鬼,鬼又可以穿透門,穿透牆,飄來飄去。而中微子,一樣沒人看得見,而且它不只可以穿透門,穿透牆,基本上沒有甚麼可以阻擋它,它可以輕易地穿透整個地球,一點困難都沒有!「輕鬆」!在你閱讀這篇文章的時候,已經有不知多少中微子穿過你身了。

這樣孤僻低調的粒子,該如何探測它呢?

Beta decay反應是:中子 質子 + 電子 + 反中微子
調轉的反應就是:反中微子 + 質子 中子 + 正電子 (這裡談的是電子中微子,其他味道的中微子都類似,只是電子收換成了對應的輕子)

那我們只要用一個滿佈質子的靶子,讓成千上萬中微子撞去,總有少許中微子能撞上質子,而放出正電子。那我們只要探測正電子就好了。正電子很易探測,因為它碰上電子就會湮滅,放出能量,我們就是要探測那些能量。

這個滿佈質子的靶子是甚麼? 是水。 水是H2O,又氫及氧原子組成,氫原子核就是質子啦。所以研究中微子的科學家都是在一個大水槽中工作。下圖就是今屆諾貝爾獎得獎日本科學家梶田隆章仗使用的「超級神岡探測器」。



牆上的圓圈就是探測湮滅能量的儀器。紅圈是工作人員,大家可以想像到這探測器有多大。當它們運作時,整個水槽都會入滿水。想不到原來水槽對粒子物理學都如此有貢獻吧?

輕子、渺子、陶子、電子中微子、渺子中微子、陶子中微子,連同其反粒子,共12種輕子。

好,最後到標準模型中的最後一類粒子──玻色子。

玻色子是傳遞基本作用力的粒子。基本作用力共有四種,反別是重力、電磁力、強作用力及弱作用力。

把蘋果掉到牛頓頭上的就是重力,但重力太複雜,不包括在標準模型內。讓磁鐵吸起金屬的,或讓正負電荷相吸的,就是電磁力。大家中學chemistry讀過的ionic bondcovalent bonemetallic bondvan der Waals force,總之令不同原子,不同分子連在一起的,都是電磁力。令中子及質子在原子中緊貼的,是強力用力,沒有了強作用力,質子們會因正電荷互相排斥而拆散,就再沒有原子了。弱作用力是負責beta decay的力。

萬物一切的力都是這四種力。那麼葉問打日本人用的力是甚麼力? 那是電磁力,因為葉問拳頭表面的質子與日本人表面的質子排斥而產生的。

傳遞電磁力的基本粒子是光子,沒有質量。會考、DSE物理都有教過,不多說了。

傳遞弱作用力的基本粒子是W+玻色子、W-玻色子及Z0玻色子,它們有質量。不但有質量,更是很重。之前提過的beta decay反應是中子衰變成質子、電子及反中微子,但原來如果我們再看深入一點,其實應該是中子衰變成質子及W-玻色子,W-玻色子再衰變成電子及反中微子。在這反應中W-玻色子就做了傳遞弱作用力的工作。科學家後來更發現原來電磁力及弱作用力根本上就是同一種力,只不過光子沒有質量,W+玻色子、W-玻色子及Z0玻色子則很重衰變得很快,所以電磁力可以遠及無限距離,弱作用力則只可以在原子核這個非常短的距離內發生作用。這個理論由粒子物理學家溫伯格(Steven Weinberg)及沙拉姆(Abdus Salam)提出,稱為溫沙理論。純一了電磁力及弱作用力是物理學中非常非常非常重要的突破,現在很多科學家窮一生之力,就是想把其餘兩種力都統一,這個理論可以解釋世界上發生的一切事情,成為「theory of everything」。

傳遞強作用力的基本粒子是膠子(gluon)。膠子與光子一樣,沒有質量,但它卻有很強的色電荷。它們傳遞強作用力,也就是負責把夸克綁在一起。兩個夸克越分開,它們之間就有越多膠子,所以能量就越強。要把兩粒夸克完全分開就需要無限大的能量,因此在我們的宇宙中,夸克永遠被綁在一起,以重子或介子形式存在。從另一個角度思考,因為膠子有很強的色電荷,它們可以交換夸克的顏色,例如紅藍膠子可以把紅夸克交換成藍夸克,所以因為膠子,我們宇宙中單獨存在的粒子必須是白色;因為膠子,夸克不能單獨存在。(夸克不能單獨存在及單獨存在的粒子必須是白色其實是同一意思,因為夸克帶紅、藍、綠色,所以它們自然不能單獨存在。) 膠子共有8種顏色。

36種夸克,12種輕子,8種膠子,連同光子、W+玻色子、W-玻色子及Z0玻色子,共60基本粒子。但標準模型預言共有61種粒子。

最後一種,就是尋尋覓覓近四十多年,在2012年終於被CERN的超級強子對撞器發現,無人不知,無人不曉,震驚全世界,小數可以上得到港聞頭版的科學發現,號稱「上帝粒子」的希格斯玻色子。


(史丹福要去街,打左咁多,post住先,返來介紹埋最後呢隻基本粒子…)