宇宙中的“煉金術(shù)”

孟杰

【專家介紹】

孟杰（1966-），男，北京大學(xué)教授。1991年獲北京大學(xué)博士學(xué)位，先后為中國科學(xué)院、德國羅森多夫研究中心博士后，慕尼黑工業(yè)大學(xué)洪堡學(xué)者，日本理化學(xué)研究所科技廳獎勵研究員。1997年至今任北京大學(xué)教授。發(fā)表論文400多篇，總引用一萬多次，H 因子 66，入選愛思唯爾高被引學(xué)者。曾獲中國高校自然科學(xué)一等獎兩次（2000年和2013年）、中國物理學(xué)會吳有訓(xùn)物理獎（2007年）、伊朗花剌子模國際獎（2008年）、華人物理學(xué)會亞洲成就獎（2009年）、德國金科獎（2010年）等榮譽(yù)。2000年入選教育部長江特聘教授、獲國家杰出青年基金資助，2012年入選美國物理學(xué)會會士，2018年入選歐洲科學(xué)院外籍院士。

摘? ?要：文章簡要介紹黃金為什么比鐵貴，人為什么是宇宙中的一粒塵埃，原子核物理的特殊地位、研究對象、獨(dú)特魅力、機(jī)遇和挑戰(zhàn)，原子核物理與日常生活，核物理研究的國際競爭，典型的核科學(xué)創(chuàng)新事例，核物理人才培養(yǎng)等方面的淺識。

關(guān)鍵詞：煉金術(shù);元素起源;核物理;科學(xué)創(chuàng)新

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2021）2-0001-5

1? ? 黃金為什么比鐵貴

大家普遍關(guān)心的一個(gè)問題是黃金為什么比鐵貴?；卮疬@個(gè)問題并不難，因?yàn)橛幸痪渌自捳f得好——“物以稀為貴”。

圖1給出了宇宙中的元素豐度分布，可以看出，鐵比黃金的豐度大概高了6～7個(gè)量級。我們在市場上買鐵的時(shí)候，用的單位是“噸”;買黃金的時(shí)候，用的單位是“克”，這中間剛好差6個(gè)量級。這6個(gè)量級基本上就是黃金為什么比鐵貴的原因。

如果有人問為什么黃金的豐度比鐵低6個(gè)量級，這個(gè)問題的回答就比較難了，因?yàn)檫@是一個(gè)涉及科學(xué)研究的問題。

古往今來，“點(diǎn)石成金”是很多人的夢想。古代曾有一門學(xué)科叫“煉金術(shù)”，有幾千年的悠久歷史。它的主要目的是把“賤金屬”變成“貴金屬”，特別是煉出黃金。從地域角度來看，所有文明古國幾乎或多或少，都涉及“煉金”這個(gè)科學(xué)活動?？茖W(xué)家牛頓也是一個(gè)為“煉金術(shù)理論”作出過杰出貢獻(xiàn)的“煉金術(shù)士”。

今天，我們知道“點(diǎn)石成金”其實(shí)是一個(gè)關(guān)于原子核反應(yīng)的科學(xué)研究。《發(fā)現(xiàn)》 雜志曾列出物理學(xué)二十一世紀(jì)十一大待解之謎，其中之一就與“點(diǎn)石成金”相關(guān)——“從鐵到鈾的重元素是怎么合成的”。借助一張?jiān)雍说暮怂貓D，可以幫助我們理解元素合成（如圖2）。橫坐標(biāo)表示中子數(shù)，縱坐標(biāo)表示質(zhì)子數(shù)，圖中的每個(gè)小方格代表一個(gè)原子核，對應(yīng)的位置表示組成它的質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)。

怎么合成比鐵還重的重元素？今天已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了比鐵重的元素合成的關(guān)鍵機(jī)制：通過輕的元素不斷地俘獲中子，然后中子在新的原子核中變?yōu)橘|(zhì)子，原子核變成新的更重的原子核，如此循環(huán)就能實(shí)現(xiàn)“點(diǎn)石成金”的過程。

要研究如何在宇宙中實(shí)現(xiàn)這個(gè)過程，需要獲得兩方面的知識。一方面，要知道在宇宙的什么地方可以發(fā)生這樣的反應(yīng);另一方面，還需要核物理的知識。2017年，引力波及相應(yīng)的光譜觀測，證實(shí)雙中子星并合提供了快中子俘獲合成重元素的一個(gè)關(guān)鍵場所。快中子俘獲過程中涉及到的原子核絕大多數(shù)都是不穩(wěn)定的，實(shí)驗(yàn)上非常難以合成，所以原子核的理論研究和實(shí)驗(yàn)研究同樣重要。

實(shí)際上，合成重元素或黃金與宇宙演化也密切相關(guān)。大家知道，宇宙大爆炸之后，隨著溫度的不斷降低，物質(zhì)開始出現(xiàn)。開始有質(zhì)子、中子、輕元素，隨后產(chǎn)生更重元素，直至生命的誕生等。所以，了解黃金從哪兒來的，或者了解金為什么比鐵貴，也有助于我們了解宇宙發(fā)展演化的歷史。

2? ? 核物理的特殊地位

我們能看見的一切物質(zhì)都是由原子、分子組成。原子的大小大概是10×10-10 m，是納米的量級。原子核的大小大致是10×10-15 m。也就是說原子核要比原子小5個(gè)量級。

這是什么概念？假設(shè)把原子放大成100 m的一棟大樓，那么原子核的大小只有1 mm，所以原子核實(shí)際上是在原子內(nèi)部非常小的一個(gè)空間內(nèi)。但是，很奇特的是，雖然那么小，原子99.95%以上的質(zhì)量都集中在原子核。而且原子核又是由和原子核差不多大小的質(zhì)子和中子所組成的，但它們在原子核內(nèi)部的運(yùn)動卻幾乎是獨(dú)立進(jìn)行的，這是非常神奇的一件事情。

像玩積木一樣，把不同數(shù)目的質(zhì)子和中子組合在一起，如果組合的原子核是穩(wěn)定的，那么就得到了一個(gè)穩(wěn)定的原子核。到今天為止，我們周圍豐富多彩的世界，實(shí)際上就是由不到100種元素，大約300種原子核所組成的。實(shí)驗(yàn)核物理學(xué)家利用加速器，通過核反應(yīng)等手段，到目前為止合成了3 000種左右的原子核。理論物理學(xué)家通過各種基于核物理理論建立的模型，預(yù)言能有上萬種的原子核。

核物理學(xué)家的具體任務(wù)，就是研究所有這些原子核的結(jié)構(gòu)、反應(yīng)、衰變以及產(chǎn)生的根源。這就是為什么“黃金為什么比鐵貴”是核物理學(xué)家可以回答的問題。

實(shí)際上，核物理這門學(xué)科的重要性還可以體現(xiàn)在科學(xué)的基本問題上，即天體演化、物質(zhì)結(jié)構(gòu)、生命起源三大問題。很有意思的是，這三個(gè)基本問題，都和核物理密切相關(guān)。比如，生命起源問題，核物理學(xué)家的貢獻(xiàn)是回答生命元素起源問題。

核科學(xué)可以帶來無限廣闊的應(yīng)用，提到核的放射性的時(shí)候，有的人會很害怕，其實(shí)我們的生活離不開放射性。比如，醫(yī)院里的X光或PET-CT，這些強(qiáng)有力的輔助治療工具都來自核物理。甚至在治療癌癥的領(lǐng)域，也可以通過重離子加速器提供原子核束流，直接轟擊癌細(xì)胞進(jìn)行治療。核科學(xué)和核技術(shù)與我們的生活已經(jīng)密不可分了，其廣泛應(yīng)用包括能源的開發(fā)、農(nóng)業(yè)上植物的改性、工業(yè)上產(chǎn)品的檢測等。

核能非常重要，如果把輕的原子核結(jié)合成重的原子核，就會釋放出能量。太陽每天干的事情就是燃燒氫生成氦，并且釋放出能量。我們每天能夠吸收到的能量只是太陽放出能量中很小的一部分，卻能夠提供我們在地球上生活所需要的全部能量。核電站利用的物理原理是把重核打碎，變成比較輕的原子核。由于重核的核子平均結(jié)合能不大，所以它變成中等質(zhì)量核的時(shí)候，同樣放出能量。在世界上第一次建成反應(yīng)堆的時(shí)候，當(dāng)時(shí)參與實(shí)驗(yàn)的科學(xué)家都在驚嘆，這是人類歷史上第一次使用非太陽能的能源。

此外，還有一個(gè)很有意思的問題，就是如果把人體內(nèi)部的元素豐度分布圖畫出來，則可以發(fā)現(xiàn)，人體內(nèi)部的元素豐度分布峰值很大程度上是由核物理確定。更神奇的是，如果把人體的元素豐度分布和自然界的元素豐度分布進(jìn)行對比，除細(xì)微差別之外，兩者的峰值基本一樣。這就是流行語“人就是宇宙中的一粒塵?！钡目茖W(xué)起源。

3? ? 現(xiàn)代科學(xué)創(chuàng)新之路：最強(qiáng)大腦

1966年8月1號的《人民日報(bào)》有一篇社論，社論里面有一句話非常重要：“那種認(rèn)為物理學(xué)，特別是核物理學(xué)，只能由歐美某些大國所壟斷的神話，早已破滅了。”這表明我們要認(rèn)認(rèn)真真地研究核物理。社論里面還有一句話，“我國的物理學(xué)工作者，希望能夠解放思想，敢想、敢說、敢做、敢闖、敢革命，然后要在現(xiàn)代物理學(xué)的領(lǐng)域里，闖出自己的一條路子來。”這句話是對核物理工作者，甚至是對現(xiàn)在在學(xué)校里面讀小學(xué)、中學(xué)或者大學(xué)的人的一種希望。

在現(xiàn)代科學(xué)的創(chuàng)新之路上，應(yīng)該怎樣闖出自己的一條路？牛頓曾說，“如果我比別人看得更遠(yuǎn)些，那是因?yàn)槲艺驹诰奕说募缟?。”很多人可能覺得牛頓非常謙虛。但是我覺得，這句話說出了科學(xué)創(chuàng)新的基本規(guī)律和科學(xué)研究的方法：首先，要找到一個(gè)“巨人”;其次，要能夠站在“巨人”的肩上，才能比別人看得更遠(yuǎn)一些。

在物理學(xué)的發(fā)展中，有兩個(gè)影響非常重大的學(xué)派，一個(gè)是著名的哥本哈根學(xué)派，它催生了一大批諾貝爾物理學(xué)獎獲得者，它的領(lǐng)導(dǎo)人是尼爾斯·玻爾（圖3）。

在那個(gè)時(shí)代，世界各國著名的科學(xué)家基本上都到哥本哈根訪問過。尼爾斯·玻爾最典型的風(fēng)格是，客人去訪問他，他會說，你來了太好了，我們可以從你那里學(xué)到很多東西?？腿俗叩臅r(shí)候，他會說，你來了很好，我們從你那里學(xué)到了很多東西。無論誰做報(bào)告，尼爾斯·玻爾都會說，這個(gè)報(bào)告很有意思。但是，如果你的報(bào)告真是非常有意思，他真的非常感興趣，尼爾斯·玻爾可能會深入討論，而不僅僅說很有意思。有一個(gè)例子可以證明，尼爾斯·玻爾到美國去參加曼哈頓工程，在 Los Alamos對他的小兒子（奧格·玻爾）說，記住費(fèi)曼，他是我說愚蠢想法的時(shí)候，唯一說“不”的人。所以，即使像尼爾斯·玻爾那么和藹的人，也非常重視批判和質(zhì)疑，或者說他非常尊重獨(dú)立思考和批判性思維能力。

與哥本哈根學(xué)派風(fēng)格完全不同的就是著名的朗道學(xué)派。它的領(lǐng)導(dǎo)人列夫·朗道（圖4）培養(yǎng)學(xué)生的風(fēng)格和尼爾斯·玻爾不同。

朗道接待客人，他的歡迎詞可能是你來干什么，你能教我們什么東西。他對待學(xué)生的要求也非常高，每個(gè)學(xué)生來都要開門見山地告訴他，你的貢獻(xiàn)是什么，你的想法是什么。其次，他重視創(chuàng)新思想的發(fā)現(xiàn)，要求每一篇論文必須要解決問題。他的學(xué)生里面出現(xiàn)了非常多優(yōu)秀的人。比如，他的學(xué)生在2003年還獲得諾貝爾物理學(xué)獎。

這是兩個(gè)學(xué)派之間不同的風(fēng)格，對我們國家今天重視創(chuàng)新，走出自己的一條路來，具有一定的啟發(fā)性。

4? ? 現(xiàn)代科學(xué)創(chuàng)新之路：精工利器

在科學(xué)創(chuàng)新的道路上，實(shí)驗(yàn)方面我用四個(gè)字總結(jié)：“精工利器”。使用最好的設(shè)備，做好充分的準(zhǔn)備，才能夠有大的發(fā)現(xiàn)。

著名的發(fā)現(xiàn)之一就是X射線。德國科學(xué)家倫琴通過一個(gè)偶然的機(jī)會，發(fā)現(xiàn)了X射線。在當(dāng)時(shí)19世紀(jì)末期的歐洲引起了很大的反響，整個(gè)歐洲開始研究放射性。貝克勒爾本來是想去研究X射線，但是他意外地發(fā)現(xiàn)了比X射線還強(qiáng)的α射線。什么是α射線呢？這個(gè)問題最后由英國的物理學(xué)家盧瑟福解決，α射線是一種由原子核放出的粒子。盧瑟福把α射線作為一個(gè)強(qiáng)有力的武器，開啟他探索微觀世界的道路，他用α射線發(fā)現(xiàn)了原子的內(nèi)部是空的，在原子里面有一個(gè)原子核，在原子核里面還有質(zhì)子，這是他重要的發(fā)現(xiàn)。他的學(xué)生利用α射線發(fā)現(xiàn)原子核里面還有中子，解決了原子核的組成問題。所以，當(dāng)時(shí)的α射線對核物理研究起到了相當(dāng)重要的促進(jìn)作用。

在此之后，人類開始用自己發(fā)明的工具來研究原子核，這個(gè)主要?dú)w功于勞倫斯。1932年，勞倫斯發(fā)明了加速器，為研究微觀世界提供了有力的工具。為此，勞倫斯的名字被用來命名103號元素。并且，美國的勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室與勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室，都是用他的名字來命名的。

1940年以后，美國科學(xué)家西博格領(lǐng)導(dǎo)著他的研究團(tuán)隊(duì)，利用勞倫斯發(fā)明的回旋加速器，先后發(fā)現(xiàn)了9個(gè)元素，為此獲得了1951年的諾貝爾化學(xué)獎。

前蘇聯(lián)在元素合成方面也有非常大的貢獻(xiàn)。前蘇聯(lián)的原子彈之父之一的喬治·弗洛伊洛夫的名字被用來命名114號元素。他的學(xué)生，俄羅斯著名科學(xué)家尤里·歐甘尼辛，他的名字被用來命名118號元素，如今80多歲了，也是目前唯一一位活著的“元素”。

除此之外，日本在超重元素合成方面的成果，也值得我們借鑒。發(fā)現(xiàn)113號元素的日本科學(xué)家森田浩介，幾十年如一日地從事新元素研究。長達(dá)十年左右的時(shí)間，他幾乎沒有取得什么重要的成果。但是，經(jīng)過長期堅(jiān)持，他先把探測器做好，耐心地把前人合成107號到112號元素的每一個(gè)反應(yīng)都重復(fù)實(shí)驗(yàn)。如果再往前走一步，就是牛頓說的“站在巨人的肩膀上”，只要他能夠看得遠(yuǎn)一點(diǎn)，就有重要的、新的發(fā)現(xiàn)。所以，這個(gè)時(shí)候，如果誰合成113號元素，誰就合成了新的元素。有一位德國科學(xué)家大概堅(jiān)持做了一個(gè)多月的實(shí)驗(yàn)就放棄了。而這位日本科學(xué)家堅(jiān)持了七個(gè)多月，最后找到了三個(gè)原子核，發(fā)現(xiàn)了113號元素。2016年，國際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會宣布日本

取得113號元素的命名權(quán)，并且用日語的發(fā)音

“Nihon”命名。所以，從元素合成的科學(xué)史來看，科學(xué)研究需要先進(jìn)的“精工利器”，需要有大膽的創(chuàng)新，但是更重要的是要有踏實(shí)、勤奮、努力的精神，一步一步地前進(jìn)，才可以有很大的收獲。

5? ? 核物理的國際競爭

在核素圖上，自然界存在的原子核不到300種，實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家合成的原子核約 3 000種，理

論預(yù)言存在但還有待實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的原子核約7 000種。未來核物理競爭的一個(gè)方面就是探索這些目前尚未知道的原子核。圖5是第一個(gè)考慮連續(xù)譜效應(yīng)，正確描述接近滴線原子核性質(zhì)的相對論理論給出的原子核核素圖。它拓寬了其他模型預(yù)言的原子核版圖，預(yù)言原子序數(shù)從8到130之間存在10 532 種束縛的原子核。

世界上各個(gè)主要的發(fā)達(dá)國家都在運(yùn)行、建造、升級現(xiàn)有的加速器設(shè)施。特別是像德國的重離子物理研究所，有到目前為止投入最大的一個(gè)加速器設(shè)施，總投資大概是17億歐元，接近20億美金。日本的理化學(xué)研究所里，也運(yùn)行著世界上目前最先進(jìn)的稀有同位素的加速器設(shè)施。我國在蘭州的中國科學(xué)院近代物理研究所，北京的中國原子能科學(xué)研究院，以及惠州正在新建的強(qiáng)流重離子加速器設(shè)施，也都正在或者即將進(jìn)行不穩(wěn)定原子核的研究。

為什么這些國家要投入巨資來建造這些大科學(xué)裝置？實(shí)際上，這些大科學(xué)裝置都是一個(gè)大型的科學(xué)平臺。利用這些科學(xué)平臺，我們可以開展從宏觀到微觀、從實(shí)驗(yàn)到理論的研究，研究不同層次的物理和不同層次的科學(xué)，這就是為什么世界各國都要在這方面進(jìn)行研究的一個(gè)原因。

6? ? 思考和對策

我和我的團(tuán)隊(duì)經(jīng)過多年努力去發(fā)展理論模型，系統(tǒng)地給出了所有的原子核在核素圖上的質(zhì)量等基本性質(zhì)。圖5就是我們的微觀理論給出的一個(gè)核素圖。從這個(gè)核素圖對應(yīng)的物理量出發(fā)，有助于我們理解宇宙的元素豐度分布，回答宇宙中的元素起源，了解宇宙的“煉金術(shù)”是怎么完成的。

同時(shí)，根據(jù)今天自然界的元素豐度的分布，還可以校準(zhǔn)宇宙的時(shí)鐘，回答宇宙的年齡。我們也研究過一些更微觀、更復(fù)雜的過程，比如說基本粒子的特性，從一個(gè)原子核衰變到另外一個(gè)原子核的時(shí)候，它為什么有的時(shí)候釋放出中微子，有的時(shí)候沒有釋放中微子等問題。

我和我的團(tuán)隊(duì)還有一個(gè)重要的工作就是研究原子核的手性。大家知道手有手性，即無論通過怎樣的平移或轉(zhuǎn)動，左手和右手都不能重合在一起。在原子核層次，會不會有這樣的手性？這是非常有意思的一件事情。

對原子核這樣微觀層次的研究對象，要知道原子核在干什么，可以通過原子核放出來的信號，如發(fā)生的衰變和發(fā)射出來的粒子來判斷。比如說著名的物理學(xué)諾貝爾獎獲得者奧格·玻爾（圖6）和本·莫特森（圖7）指出，如果原子核的能譜是等間距的，這表示原子核是球形。如果原子核能譜是按照平方關(guān)系逐步拉大的，那么它就是一個(gè)偏離了球?qū)ΨQ的形狀。

如圖8所示，原子核的形狀和運(yùn)動模式對應(yīng)的激發(fā)譜示意圖，依次為（a）球形原子核振動模式對應(yīng)的等間距能譜;（b）軸對稱原子核轉(zhuǎn)動模式對應(yīng)的隨角動量平方變化的激發(fā)譜;（c）手性原子核運(yùn)動模式對應(yīng)的手征雙重帶能譜;（d）基于不同形變和宇稱之上的手性原子核運(yùn)動模式對應(yīng)的多重手征雙帶。

1997年的時(shí)候，一個(gè)偶然的機(jī)會，我們發(fā)現(xiàn)，這些能譜隨著平方的關(guān)系逐漸加大的同時(shí)，還成對出現(xiàn)。這意味著什么？意味著原子核的手征對稱性的破缺，實(shí)驗(yàn)特征為手性原子核運(yùn)動模式對應(yīng)的手征雙重帶能譜。四年之后，原子核的手征對稱性破缺理論就被實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。

2006年的時(shí)候，我們發(fā)現(xiàn)，如果手征運(yùn)動模式與原子核的形變和宇稱耦合，就會導(dǎo)致與之對應(yīng)的多重手征雙帶，這就是基于不同形變和宇稱之上的手性原子核運(yùn)動模式對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)信號，典型例子包括原子核的多重手征對稱性破缺。

原子核其實(shí)就像一個(gè)人一樣，人的手有手性，耳朵也有手性，甚至眼睛、眉毛都有手性，所以原子核的手性也應(yīng)有它的多重性。2006年開始，我們每兩年都會進(jìn)一步發(fā)表一篇文章，從不同的角度闡述這個(gè)理論的正確性，同時(shí)積極推動實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。八年之后，美國的一個(gè)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了多重手征對稱性破缺存在的證據(jù)，我們一起合作完成了這個(gè)工作?？茖W(xué)研究的道路上常常是這樣，只要有第一個(gè)人證明這個(gè)事情是正確的，那么越來越多的工作就會反復(fù)不斷地證明它。這也是判斷一個(gè)工作或者預(yù)言正確與否的最好標(biāo)志。一旦有人能證實(shí)它，或者越來越多的人去證實(shí)它的時(shí)候，它的正確性就得到了證實(shí)。特別應(yīng)該指出的是，中國的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)，除了發(fā)現(xiàn)原子核多重手征對稱性的破缺之外，還發(fā)現(xiàn)它可以有反射對稱性的聯(lián)立破缺，這是非?；镜年P(guān)于手征對稱性和反射對稱性聯(lián)立破缺的發(fā)現(xiàn)。文章發(fā)表在美國的《物理評論快報(bào)》，它也是中國核物理領(lǐng)域第一篇被其選擇為封面的文章，相關(guān)成果入選了2016年的中國高校十大科技進(jìn)展。

致謝 感謝吳鑫輝對插圖的修訂以及王一平和鄒偉江對文字的整理。

（欄目編輯? ? 廖伯琴）