地球上唯一被粒子加速器“爆过头”还活着的人

文章作者:bianji3 | 2018-05-23
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       粒子加速器全名为“荷电粒子加速器”,是使带电粒子在高真空场中受磁场力控制、电场力加速而达到高能量的特种电磁、高真空装置。是人为地提供各种高能粒子束或辐射线的现代化装备。日常生活中常见的粒子加速器有用于电视的阴极射线管及X光管等设施。一部分低能加速器用于核科学和核工程,其余的则广泛用于从化学、物理及生物的基础研究。

       如果身体被卡在粒子加速器里,会发生什么?这个场景听起来简直像是一个蹩脚的漫威漫画开头,但它确实揭示了我们对于辐射、人类脆弱的身体、以及物质本质的直观看法。粒子加速器允许物理学家在强大的磁场中加速亚原子粒子,然后追踪这些粒子碰撞时产生的相互作用。通过探究宇宙的奥秘,对撞机在时代发展的大潮下,发掘出了人类仅存于当代的奇迹和恐惧。

     一位苏联物理学者在检修大型粒子加速器时,意外遭到了来自高能粒子的“暴击”——1束速度接近光速的质子束笔直地穿过了他的头部。质子束带来的高能辐射引发了癫痫、导致了面部神经受损,但这位物理学者成功地活了下来:他的智力未受影响,还在身体恢复后成功拿到博士学位,成为了地球上唯一被粒子加速器“爆过头”的人

  对撞机带来的“恐惧”

  早在 2008 年,欧洲核子研究组织(CERN)的大型强子对撞机(LHC)就曾遭指控,说是物理学家为了探测其他维度而在制造微缩版黑洞。对很多人来说,这听起来像是某部科幻灾难片中的情节。所以后来真有两个人提起诉讼试图阻止大型强子对撞机的运行也就不奇怪了——他们担心对撞机会产生一个足以毁灭整个世界的黑洞。显然物理学家们表示这个想法荒谬无比,诉讼终被驳回。

  在上述闹剧结束之后,2012 年 LHC 探测到了人们长期寻找的希格斯玻色子(Higgs boson),它能够帮助物理学家解释宇宙中的粒子是如何获得质量的。随着这一重大成就的发现,LHC 成为了流行文化。它上过重金属乐队 Megadeth 《超级对撞机》(Super Collider, 2013)的封面,也是美国电视剧《闪电侠》(2014 至今)中的一段情节。

重金属乐队 Megadeth,《超级对撞机》的封面  图片来源:Amazon.com重金属乐队 Megadeth,《超级对撞机》的封面  图片来源:Amazon.com

  一束照进大脑的粒子

  那么,当一束接近光速的亚原子粒子撞上人类血肉之躯时,究竟会发生什么?也许因为粒子物理学和生物学领域在概念上的距离太过遥远,不仅仅是外行人无法回答这个问题,甚至一些专业的物理学家也无能为力。在 2010 年的一次 YouTube 采访中,诺丁汉大学物理和天文系的几位学术专家承认,他们并不知道如果一个人把手伸进 LHC 的质子束里会发生什么。迈克尔·梅里菲尔德(Michael Merrifield)教授简洁地答道:“这是个好问题,我不知道答案,但这样做可能对你有百害而无一利。”劳伦斯·埃夫斯(Laurence Eaves)教授也保守而谨慎地讲道:“以目前我们检测到的能量大小,伤害可能不会那么明显。”然后带着一丝英式幽默加上一句:“你问我会不会把手放进去?我可不确定哪~”

  这样的思维实验对于探索无法在实验里研究的问题是很有用的。然而,偶尔也会有一些不幸的事故发生——这种实际案例为研究人员提供了真正的“机会”。案例研究的样本只有 1 个,甚至连对照组都没有:一位名叫阿纳托利·布格斯基(Anatoli Bugorski)的苏联科学家把他的头伸进了一台粒子加速器。在那个不幸的日子里,布格斯基正在检查苏联最大的粒子加速器—— U-70 同步加速器的故障设备,这时一个安全装置失灵了,一束质子以接近光速的速度笔直穿过他的头部。历史上几乎没有其他人经历过如此高能量的辐射束照射。

经受辐射的布格斯基的头部  图片来源:Curiosity经受辐射的布格斯基的头部  图片来源:Curiosity

  质子辐射的确是一种罕见的现象。来自太阳风和宇宙射线的质子会被地球大气层所阻挡,而质子辐射在放射性衰变中非常罕见,直到 1970 年才被观测到。更常见的威胁,如紫外线光子和阿尔法粒子,除非被消化吸收进人体内部,否则它们连皮肤都穿不透。例如,俄罗斯的反对派人士亚历山大·利特维年科(Alexander Litvinenko)就是被阿尔法粒子杀死的:他在无意中吃下了一名刺客投放的放射性钋-210,而这类辐射连一张纸都穿不透。但是,当受到宇航服保护的阿波罗号宇航员暴露在含有质子的宇宙射线和更奇异的辐射形式中时,他们报告说看见了闪烁的可见光。由此我们可以预料到,在那悲催的一天,布尔斯基到底遭受到了什么。根据 1997 年《连线》杂志(Wired magazine)的采访,布格斯基说当时他立刻看到了强烈的闪光,但感觉不到疼痛。这位年轻的科学家被带到莫斯科的一家诊所,他的脸肿了一半,医生们对他的病情做出了最坏的打算。

      虽然当时已经出现了质子治疗,也就是利用质子束来摧毁肿瘤的癌症治疗方法,但在布格斯基的事故之前,这些束流的能量一般不超过 2.5 亿电子伏特(electron volt, 一种用于描述粒子的能量单位)。布格斯基经受的质子束能量可能超过了一般情况的 300 倍,即 760 亿电子伏特

  电离辐射粒子,例如质子,通过破坏 DNA 中的化学键来危害身体。这种针对细胞遗传编程的攻击可以杀死细胞,阻止细胞分裂,或者诱发癌变。分裂迅速的细胞,例如骨髓中的干细胞受害最深。由于血细胞是在骨髓中产生的,所以许多辐射中毒的病例会导致感染和贫血,主要是因为白血球和红细胞的减少。但是,布格斯基案例的独特之处在于,辐射集中在一束狭窄的、快速穿透头部的质子束上,而不是像大部分切尔诺贝利灾难或广岛原子弹爆炸受害者那样,全身暴露在核辐射尘埃中。对布格斯基来说,那些尤为脆弱的组织,比如骨髓和消化道,可能大部分都幸免于难。但是,质子束穿过的头部区域会沉积大量的辐射能量,比预估的致死剂量高出数百倍。

  但是,布格斯基今天仍然健在。他的半张脸瘫痪了,这让他的半个脑袋显得异常年轻。据报道,他有一只耳朵失聪。他至少经历过六次全身性强直-阵挛发作(俗称癫痫大发作),这是电影和电视中最常见的癫痫症状,包括抽搐和意识丧失。布格斯基的癫痫很可能是由质子束留下的脑组织瘢痕所致。它还带来了癫痫小发作,或称失神发作,在这期间意识被暂时打断,却不会像大发作那样眼睛瞪直上翻那么可怕。目前还没有报道称布格斯基被诊断出癌症,尽管这通常是核辐射的长期后果。

图片来源: Gizmodo图片来源: Gizmodo

       尽管被粒子加速器的质子束穿过大脑,但布格斯基的智力仍然完好无损,在事故发生后,尽管比以前更容易感到疲劳,但他还是成功获得了博士学位——从可怕的辐射中活了下来,并且继续从事研究工作,担任物理实验的协调员。而我们人类则一边怀抱着对粒子加速器的敬畏和恐惧,一边行走在核时代中,生生不息。

      随着科学技术的进步,人民生活和质量的提高,人们对医疗卫生条件提出了更高的要求。而加速器在医疗卫生中的应用促进了医学的发展和人类寿命的延长。目前,加速器在医疗卫生方面的应用主要有三个方面,即放射治疗、医用同位素生产以及医疗器械、医疗用品和药品的消毒。

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