黃金從哪來(lái)

李然

黃金與貪欲

1532年11月16日，西班牙侵略者西斯科·皮薩羅與印加帝國(guó)皇帝阿塔瓦爾帕在秘魯高原卡哈馬卡相遇。皮薩羅只帶了168名西班牙士兵。印加帝國(guó)的皇帝帶著八萬(wàn)之眾，他聽(tīng)聞這些士兵軍容不整，完全是烏合之眾，于是毫無(wú)防備地與這些西班牙人欣然會(huì)面，允許他們站在距離自己很近的地方交談。

然而，他不知道的是這些西班牙人裝備著遠(yuǎn)比自己部隊(duì)先進(jìn)的鋼制盔甲、刀劍和火器。戰(zhàn)爭(zhēng)開(kāi)始后，皇帝頃刻被皮薩羅俘虜，幾乎所有的貴族和有能力指揮戰(zhàn)斗的人也同時(shí)被消滅，印加帝國(guó)的軍隊(duì)隨即土崩瓦解。

為了贖回自己的性命，阿塔瓦爾帕供上了一筆史上聞名的贖金——足以裝滿一間房屋（使用面積32平方米，挑高2.4米）的黃金。西班牙和印加帝國(guó)遠(yuǎn)隔重洋，差不多是世界上距離最遠(yuǎn)的兩處。但無(wú)論是侵略者皮薩羅，還是皇帝阿塔瓦爾帕，顯然都深知黃金的價(jià)值。西班牙人為了黃金之國(guó)的誘惑不惜遠(yuǎn)渡重洋，印加皇帝也同樣有收集黃金的愛(ài)好。在印加帝國(guó)，黃金被用于供奉神靈，裝飾神廟和御座。

煉金，古來(lái)皆有之

黃金其實(shí)沒(méi)有什么實(shí)際用途，它非常地“懶惰”：硫酸和強(qiáng)堿都不會(huì)侵蝕它，風(fēng)吹雨淋也不會(huì)讓它變質(zhì);它又很柔軟，幾乎無(wú)法勝任任何有實(shí)際作用的工具。即使黃金真的可以做些器物，那也注定是少數(shù)人的玩物;它的產(chǎn)量非常低，全世界每年開(kāi)采的黃金總量，可以輕易地放入到一個(gè)普通人家的臥室里，而人類歷史上所有開(kāi)采出的黃金的體積還不到一個(gè)體育館大。

黃金最大的用處在于它極為適合制作首飾及其它奢侈裝地物，這是因?yàn)辄S金具有極高的延展性，無(wú)需加熱就可以加工，一克的黃金甚至可以被拉成上千米的金絲。經(jīng)過(guò)錘打，同樣重量的黃金甚至可以被展開(kāi)成近一平方米的金箔。

黃金是如此地誘人，古今中外寄望能在自己的丹鼎或是坩堝中“點(diǎn)鐵成金”的術(shù)士史不絕書(shū)。中國(guó)古代大煉丹家葛洪在著作《抱樸子》中開(kāi)辟專篇，論述黃金煉制之道。他認(rèn)為：水火是天生的，卻可以通過(guò)方諸（一種承接露水的工具）、陽(yáng)燧（打火工具）獲取;鉛本來(lái)是白色的，卻可以轉(zhuǎn)化為赤丹;丹本性是紅色的，卻也可以變化為白色的鉛。

葛洪聲稱自己就生成了黃金，也親眼見(jiàn)到過(guò)其他術(shù)士煉成黃金，并且也在自己的書(shū)中記錄了煉制黃金的若干方法。其中一種使用雄黃、牛膽、赤土、石膽、戎鹽等先煉出一種似銅的金屬，用這種金屬做成筒，再經(jīng)過(guò)若干煉制后加入丹砂和水銀即可煉成黃金。

煉金者往往迷惑于黃金的外表，執(zhí)著于還原黃金的色澤和其它外在性質(zhì)，卻沒(méi)有理解到黃金之所以為黃金在于其完全由金原子構(gòu)成。

如果我們拿起一塊黃金，將其切割為原狀的一半，之后繼續(xù)將每一半再次分割為二，并且不斷地重復(fù)這個(gè)過(guò)程，最后，我們將得到一顆顆完全相同的代表黃金最基本單元的黃金微粒，也就是金原子。要想將黃金變?yōu)槠渌慕饘伲蛘呦胍獙⑵渌饘俎D(zhuǎn)化為黃金，就必須在原子的層次上對(duì)其進(jìn)行改造。

一小塊金子解析到原子分辨率的樣子，其實(shí)大多數(shù)地方是空的。幾乎所有金原子的質(zhì)量都集中在原子核心極小的區(qū)域里，絕大多數(shù)的空間由金原子的電子占據(jù)。

這些電子就好像是黃金別墅里的巡邏犬，圍繞金原子核瘋狂地運(yùn)動(dòng)。電子帶有負(fù)電，而原子核帶有正電。在黃金中，原子核和電子之間的吸引力將原子綁在一起，原子核彼此之間，同種電荷的電磁斥力又阻止它們緊密地結(jié)合在一起。

常見(jiàn)的金原子核中包含79個(gè)帶正電的質(zhì)子和118個(gè)不帶電的中子。單個(gè)質(zhì)子和單個(gè)中子的質(zhì)量差不多，質(zhì)子的數(shù)目決定了原子屬于哪一種元素。具有同樣質(zhì)子數(shù)和不同中子數(shù)的原子互為同位素。金原子有5種主要的同位素，但只有包含118個(gè)中子的這種是穩(wěn)定的。

葛洪在煉丹爐里將赤丹加熱轉(zhuǎn)化為水銀，不過(guò)是讓汞原子和硫原子最外層的電子數(shù)目發(fā)生了一些變化。事實(shí)上，直到1932年，查德威克用一束α射線（就是氦原子核）轟擊硼原子，敲出了硼原子核中的中子，并且將硼原子轉(zhuǎn)化成了氮的同位素（13N），人類才第一次真正解鎖了操作原子核的技能。

不過(guò)，除了在少數(shù)的物理學(xué)實(shí)驗(yàn)室或者是大型對(duì)撞機(jī)里，原子在地球上是相當(dāng)“安全”的。那么，問(wèn)題來(lái)了：地球上為什么會(huì)存在黃金呢？更進(jìn)一步地，地球上為什么會(huì)存在這么多種不同的元素呢？

太陽(yáng)能生成黃金么？

黃金的起源需要到宇宙空間中追尋。從宇宙歷史中看，大規(guī)模的“煉金活動(dòng)”只有兩種可能的場(chǎng)所：宇宙大爆炸和恒星熔爐。在這些極端環(huán)境中，原子核攜帶了極高的動(dòng)能。當(dāng)它們互相碰撞時(shí)，原子核之間的庫(kù)倫斥力也無(wú)法阻擋原子核的結(jié)合。新的元素可以從中誕生。

在宇宙誕生早期，宇宙空間是充斥著純粹能量的海洋。隨著宇宙膨脹，宇宙空間的溫度會(huì)下降，基本粒子開(kāi)始從熱平衡中凍結(jié)出來(lái)。在宇宙大爆炸后1秒，宇宙充滿了自由的質(zhì)子（也就是氫原子核）和自由的中子。在隨后的3分鐘里，幾乎所有的中子都被原子核俘獲，凈效應(yīng)是產(chǎn)生了大量的氦元素。宇宙中普通物質(zhì)總量的1/4變成了氦。

宇宙大爆炸早期合成元素雖然很高效，但很快后力不繼。在氦原子（4He）合成后，宇宙中的溫度和密度已經(jīng)不再適合更高序號(hào)的元素合成，只有極為少量的鋰元素（7Li）合成。

宇宙在鋰元素形成后陷入了無(wú)聊，沒(méi)有光，也沒(méi)有生氣。在宇宙大爆炸大約1億年后，第一批恒星誕生了。在這些恒星的核心，氫元素和氦元素被加工為更高序數(shù)的元素。

地球的主星——太陽(yáng)的核心也在進(jìn)行著這樣的元素加工活動(dòng)。在太陽(yáng)的中心，溫度高達(dá)1500萬(wàn)攝氏度。在這樣的溫度下，兩個(gè)氫原子核會(huì)攜帶很高的動(dòng)能互相碰撞，聚合成更高序號(hào)的原子。不過(guò)，太陽(yáng)當(dāng)然不會(huì)是地球上黃金的來(lái)源，因?yàn)樘?yáng)和地球幾乎在差不多的時(shí)間形成（約為50億年前），還來(lái)不及合成重元素，更不要說(shuō)將重元素傳遞給地球。

太陽(yáng)已經(jīng)在它的核心處進(jìn)行了50億年的元素創(chuàng)造，但依然在產(chǎn)生氦原子。具體來(lái)說(shuō)，兩個(gè)氫原子核也就是兩個(gè)質(zhì)子相互碰撞，形成包含一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子的氘原子核（2H），同時(shí)放出一個(gè)正電子和一個(gè)中微子。氘原子核隨后可以結(jié)合一個(gè)氫原子核轉(zhuǎn)化為氦的同位素3He。兩個(gè)3He原子核可以合成一個(gè)4He原子核并且釋放出兩個(gè)質(zhì)子。

這一系列反應(yīng)中，氘和3He只不過(guò)是中間產(chǎn)物，凈效果是4個(gè)氫原子核合成了一個(gè)氦原子核（4He）。一個(gè)氦原子的質(zhì)量略小于四個(gè)氫原子的質(zhì)量之和。這中間的質(zhì)量差別都轉(zhuǎn)化為了太陽(yáng)的光和熱。

太陽(yáng)可以再繼續(xù)工作50億年。之后，恒星會(huì)轉(zhuǎn)入短暫的氦燃燒階段。在那個(gè)時(shí)候，太陽(yáng)中心的溫度將會(huì)升高到足以讓氦元素發(fā)生聚變反應(yīng)，生成碳元素。但因?yàn)樘?yáng)的質(zhì)量不夠大，無(wú)法在合成碳以后繼續(xù)聚變反應(yīng)鏈條。

不過(guò)，太陽(yáng)這樣質(zhì)量較小的恒星并非無(wú)法生成更重的元素。在低質(zhì)量恒星的演化晚期，恒星內(nèi)部存在很多的中子。中子不帶電，更容易和原子核結(jié)合。如果原子核只是積累中子，那么它并不會(huì)變成另一種元素。但是隨著中子的積累，原子核開(kāi)始變得不穩(wěn)定，其中的一些中子會(huì)自發(fā)地轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)子。通過(guò)這樣的方式，原子核增加了質(zhì)子數(shù)，變成了序號(hào)更高的元素。

太陽(yáng)這樣的低質(zhì)量恒星甚至可能在演化晚期煉出一些金和銀。但這種緩慢的中子積累方式，不足以生成地球上最重的一些元素，例如鈾238。而理論計(jì)算顯示，黃金的主要煉成地，也不是太陽(yáng)這樣的“初級(jí)煉金家”。

合成黃金的另一道坎

完成黃金的“魔術(shù)”需要更大質(zhì)量的恒星。理論計(jì)算表明，如果一個(gè)恒星的質(zhì)量大于8倍太陽(yáng)質(zhì)量，其核心就有足夠的溫度發(fā)生碳聚變之后的反應(yīng)。更重的原子核會(huì)像搭積木一樣被快速地制造出來(lái)。有趣的是，原子核的積木并不是依照原子序數(shù)按部就班地增長(zhǎng)的。有一些積木的組合要比其它的組合更容易產(chǎn)生。

這是因?yàn)檩^重的元素的原子核中因?yàn)橘|(zhì)子數(shù)量變多，帶的正電荷也會(huì)變多。兩個(gè)重元素之間的結(jié)合難度要大于結(jié)合一個(gè)較輕的原子核的難度。在大質(zhì)量恒星的演化中，原子核傾向于不斷地結(jié)合氦核增長(zhǎng)。

那么在大質(zhì)量恒星內(nèi)部，可以一直這樣下去，進(jìn)而合成黃金嗎？答案是否定的，還有一個(gè)巨大的障礙橫亙?cè)诤铣牲S金的道路上，那就是鐵。

鐵是元素周期表中的第26號(hào)元素。包含30個(gè)中子和26個(gè)質(zhì)子的鐵原子核是所有原子核中最穩(wěn)定的。在大質(zhì)量恒星演化后期，原子核俘獲氦核會(huì)使得原子數(shù)為4的倍數(shù)的原子核更容易形成。硅28俘獲7個(gè)氦核后就可以形成鎳56，但鎳56不穩(wěn)定，會(huì)經(jīng)歷兩次衰變成為鐵56。

一旦原子核演化到鐵，它就很難通過(guò)聚變繼續(xù)成長(zhǎng)為更重的原子核。這樣鐵在恒星的中心自然地就富積起來(lái)。一旦鐵在恒星中心形成，恒星的末日也就不遠(yuǎn)了。因?yàn)槿魏卧噲D改變鐵原子核的反應(yīng)，都會(huì)吸收能量。

換句話說(shuō)，當(dāng)恒星的中心被鐵占據(jù)，那么恒星的熔爐就熄滅了，不再有源源不斷的能量的供給。失去中心能源支撐的恒星會(huì)迅速地垮塌，星體在自身引力的拉扯下，無(wú)可救藥地落向中心，最后報(bào)復(fù)性地反彈膨脹，形成璀璨的爆發(fā)——超新星爆發(fā)。

有趣的是，鐵的形成雖然殺死了恒星，阻止元素的合成繼續(xù)進(jìn)行，但鐵引發(fā)的超新星爆發(fā)卻提供了另一條形成重元素的途徑。在超新星爆發(fā)前夕，恒星中心極為致密。大量的質(zhì)子和電子結(jié)合變?yōu)橹凶樱瑒?chuàng)造了富含中子的環(huán)境。

在這種情況下，鐵和比鐵更重的原子核可以迅速地獲得中子，提升核子數(shù)，變成很重的原子核，再通過(guò)衰變，形成更高序數(shù)的元素。這個(gè)過(guò)程和低質(zhì)量恒星演化晚期的煉金方式類似，但原子核獲得中子的速度要快得多，一般被稱為r-過(guò)程，其中r代表快速（rapid）的意思。

黃金發(fā)源地——千新星

人們一度認(rèn)為超新星煉金爐已經(jīng)解決了宇宙中重元素的問(wèn)題，但是，在計(jì)算了大質(zhì)量恒星超新星爆發(fā)速率，和每次能夠拋出的重元素量后，研究者開(kāi)始懷疑，超新星熔爐也許遠(yuǎn)不足以生成銀河系中所有的黃金。怎么辦？理論家們的解答倒也很簡(jiǎn)單，如果殺死一顆恒星造不出足夠的黃金，那就殺死兩顆！

大質(zhì)量恒星死亡后，根據(jù)質(zhì)量的不同，死亡的遺跡可能是一個(gè)黑洞，也可能是一顆中子星。有時(shí)，兩顆相互繞轉(zhuǎn)的恒星可以都變成中子星。1974年，麻省大學(xué)的天文學(xué)家泰勒和羅素發(fā)現(xiàn)了一對(duì)繞轉(zhuǎn)非?？斓闹凶有?，在經(jīng)過(guò)多年的監(jiān)測(cè)后，泰勒發(fā)現(xiàn)中子星相互之間的距離變小了。

這是因?yàn)橹凶有窃谙嗷ダ@轉(zhuǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生引力波，損失動(dòng)能而靠得越來(lái)越近。也就是說(shuō)，終有一天，這對(duì)雙中子星會(huì)合并到一起。有科學(xué)家猜想，在最終的合并過(guò)程中，雙中子星會(huì)將部分物質(zhì)拋射出來(lái)，形成一個(gè)富含中子，可以煉制重元素的環(huán)境，這可能才是宇宙重元素的來(lái)源。

如何從觀測(cè)上驗(yàn)證這個(gè)猜想？人類可以通過(guò)多種渠道去觀測(cè)雙中子星的合并。中子星是非常致密的天體，會(huì)扭曲周圍的時(shí)空。當(dāng)中子星合并的最后時(shí)候，它們會(huì)攪動(dòng)很強(qiáng)的時(shí)空漣漪，以引力波的形式傳播開(kāi)來(lái)。同時(shí)，理論家普遍相信雙中子星合并會(huì)產(chǎn)生短時(shí)標(biāo)的伽馬射線暴。這種短伽馬射線暴已經(jīng)多次被空間伽馬射線衛(wèi)星探測(cè)到。

最后，雙中子星在合并過(guò)程中會(huì)拋出富含中子的物質(zhì)，這部分物質(zhì)會(huì)在短時(shí)間里衰變，放出能量。這個(gè)過(guò)程中，天體會(huì)在短暫時(shí)間內(nèi)在可見(jiàn)光波段變得極亮。

這種觀測(cè)渠道最早由普林斯頓大學(xué)的李立新和帕欽斯基提出。這種天體爆發(fā)現(xiàn)象后來(lái)被稱作“千新星（kilonova）”。只有觀測(cè)到千新星，研究者才能確認(rèn)黃金的產(chǎn)生。

2017年8月，一次雙中子星合并產(chǎn)生的引力波被LIGO探測(cè)到。同時(shí)，在伽馬射線波段工作的費(fèi)米衛(wèi)星也在同一天區(qū)監(jiān)測(cè)到了一次短伽馬射線暴現(xiàn)象。這是第一次，人類從觀測(cè)上正式確認(rèn)了中子星合并和伽馬射線的聯(lián)系。此前的所有引力波探測(cè)事件，都是由雙黑洞合并引起的，這也是第一次人類有可能同時(shí)用引力波和電磁波兩種手段探測(cè)天體爆發(fā)事件。

訊息一經(jīng)公布，引起了全球天文學(xué)家熱情的跟蹤觀測(cè)，超過(guò)70家天文臺(tái)對(duì)這個(gè)天區(qū)進(jìn)行了詳細(xì)的跟蹤觀測(cè)。很快地，這個(gè)天區(qū)如理論預(yù)期般，短暫地出現(xiàn)了明亮的天體——千新星。

通過(guò)分析它的光譜和亮度變化，研究者們很大程度上肯定了在這次雙中子星合并事件中，確實(shí)產(chǎn)生了重元素。另一些研究者的計(jì)算表明，如果我們看到的這次合并現(xiàn)象不是純?nèi)坏那珊?，那么中子星合并也許真的足以產(chǎn)生宇宙中大多數(shù)的黃金。

Joni Mitchell的歌中唱道：“我們是星塵?！边@是真的！不僅僅是我們自身，我們?nèi)粘＝佑|到的世界上的一切事物，都來(lái)自宇宙。黃金，雖然形成歷史曲折，但也同樣是來(lái)自宇宙的塵埃。天文學(xué)家研究黃金的來(lái)源，并非為了獲取黃金，而是醉心于了解宇宙萬(wàn)物間的聯(lián)系。

（摘自微信公眾號(hào)“知識(shí)分子”）