理論物理有什麼用？例如檢查癌症 | 周思益 柳俊含_風聞

每當提到理論物理，都會令人感到高大上和雲裏霧裏。同時還總會有人問：理論物理有什麼用？其實我們可以明確地回答，理論物理很有用。下面，我們就來舉一個例子：用弱相互作用檢查癌症。

什麼叫弱相互作用？李政道先生不久前離開了我們，他獲得諾貝爾獎的原因就是發現弱相互作用下宇稱不守恆。

弱相互作用是人類已知的四種基本相互作用之一，它可以引起亞原子粒子的衰變，例如β衰變。所謂β粒子就是電子，所以β衰變就是原子核自發地放射出電子或正電子的轉變。它可以分為兩類：放出電子的稱為β-衰變，放出正電子的稱為β+衰變。我們下面要講的“正電子發射斷層掃描”技術，用的就是β+衰變。

正電子發射計算機斷層掃描（positron emission tomography，簡稱PET），是一種醫學臨牀檢查的成像技術。PET有巨大的優點，它是目前唯一的用解剖形態方式進行功能、代謝和受體顯像的技術，無創傷，並能提供全身三維功能運作圖像。它既是醫學工具，也是研究工具，在腫瘤學臨牀醫學影像和癌擴散研究等方面有大量的應用。下面，我們來介紹一下它為什麼能確定腫瘤位置。

PET掃描儀

當注射到人體內的放射性同位素經歷β+衰變時，它會發出一個正電子。正電子是電子的反粒子，它的質量、自旋等性質都跟電子一樣，但電荷相反，即它攜帶一個單位正電荷。正電子與電子相遇時，雙方就會湮滅，產生一對光子，射向相反的兩個方向。當這些光子遇到探測器中的閃爍晶體物質時，會產生光亮，從而被光敏感的光電倍增管或雪崩光電二極管探測到。這就是掃描器的探測機制。

PET圖像

在進行腫瘤診斷時，首先要給患者注射一種顯影劑，叫做氟代脱氧葡萄糖（簡稱18F-FDG或FDG）。氟化脱氧葡萄糖的意思是，把葡萄糖的一個羥基即-OH，用氟的放射性同位素F-18取代。這種同位素具有放射性，會發生β+衰變，射出正電子。

當 FDG 進入細胞後，會被己糖激酶磷酸化為 FDG-6-磷酸。如果是常規的葡萄糖，就會繼續代謝，但這裏的酶不能識別 FDG-6-磷酸，所以它就會停在這一步，不會繼續參與糖酵解和其他代謝途徑。此外，它也不能通過細胞膜上的通道蛋白被運出細胞。這是為什麼呢？因為它帶有電荷，細胞膜的磷脂雙分子層具有疏水的內部環境，帶電物質在這種環境中難以自由擴散通過。因此，一旦氟化脱氧葡萄糖進入細胞，在F-18發生β衰變前，都會以磷酸化的形式留在細胞內。

這跟癌症檢測有什麼關係呢？癌細胞跟正常細胞的區別是，它的代謝更旺盛，對葡萄糖的消耗更高。所以腫瘤患者在注射氟化脱氧葡萄糖後，癌細胞聚集的部位會攝入更多的氟化脱氧葡萄糖。我們利用PET檢測出放射性強的部位，就可以確定腫瘤的位置，從而進行針對性的治療。

以上我們談的，就是理論物理對醫學的一個作用。希望當大家提起李政道先生，不僅能想到諾貝爾獎的激勵作用，還能想到弱相互作用對腫瘤患者帶來福音。這就像法拉第的那個故事：法拉第發現電磁感應的時候，有人問他：這東西有什麼用呢？法拉第的回答是：新出生的嬰兒有什麼用呢？