宇宙中的“炼金术”

孟杰

【专家介绍】

孟杰（1966-），男，北京大学教授。1991年获北京大学博士学位，先后为中国科学院、德国罗森多夫研究中心博士后，慕尼黑工业大学洪堡学者，日本理化学研究所科技厅奖励研究员。1997年至今任北京大学教授。发表论文400多篇，总引用一万多次，H 因子 66，入选爱思唯尔高被引学者。曾获中国高校自然科学一等奖两次（2000年和2013年）、中国物理学会吴有训物理奖（2007年）、伊朗花剌子模国际奖（2008年）、华人物理学会亚洲成就奖（2009年）、德国金科奖（2010年）等荣誉。2000年入选教育部长江特聘教授、获国家杰出青年基金资助，2012年入选美国物理学会会士，2018年入选欧洲科学院外籍院士。

摘   要：文章简要介绍黄金为什么比铁贵，人为什么是宇宙中的一粒尘埃，原子核物理的特殊地位、研究对象、独特魅力、机遇和挑战，原子核物理与日常生活，核物理研究的国际竞争，典型的核科学创新事例，核物理人才培养等方面的浅识。

关键词：炼金术;元素起源;核物理;科学创新

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2021）2-0001-5

1    黄金为什么比铁贵

大家普遍关心的一个问题是黄金为什么比铁贵。回答这个问题并不难，因为有一句俗话说得好——“物以稀为贵”。

图1给出了宇宙中的元素丰度分布，可以看出，铁比黄金的丰度大概高了6～7个量级。我们在市场上买铁的时候，用的单位是“吨”;买黄金的时候，用的单位是“克”，这中间刚好差6个量级。这6个量级基本上就是黄金为什么比铁贵的原因。

如果有人问为什么黄金的丰度比铁低6个量级，这个问题的回答就比较难了，因为这是一个涉及科学研究的问题。

古往今来，“点石成金”是很多人的梦想。古代曾有一门学科叫“炼金术”，有几千年的悠久历史。它的主要目的是把“贱金属”变成“贵金属”，特别是炼出黄金。从地域角度来看，所有文明古国几乎或多或少，都涉及“炼金”这个科学活动。科学家牛顿也是一个为“炼金术理论”作出过杰出贡献的“炼金术士”。

今天，我们知道“点石成金”其实是一个关于原子核反应的科学研究。《发现》 杂志曾列出物理学二十一世纪十一大待解之谜，其中之一就与“点石成金”相关——“从铁到铀的重元素是怎么合成的”。借助一张原子核的核素图，可以帮助我们理解元素合成（如图2）。横坐标表示中子数，纵坐标表示质子数，图中的每个小方格代表一个原子核，对应的位置表示组成它的质子数和中子数。

怎么合成比铁还重的重元素？今天已经发现了比铁重的元素合成的关键机制：通过轻的元素不断地俘获中子，然后中子在新的原子核中变为质子，原子核变成新的更重的原子核，如此循环就能实现“点石成金”的过程。

要研究如何在宇宙中实现这个过程，需要获得两方面的知识。一方面，要知道在宇宙的什么地方可以发生这样的反应;另一方面，还需要核物理的知识。2017年，引力波及相应的光谱观测，证实双中子星并合提供了快中子俘获合成重元素的一个关键场所。快中子俘获过程中涉及到的原子核绝大多数都是不稳定的，实验上非常难以合成，所以原子核的理论研究和实验研究同样重要。

实际上，合成重元素或黄金与宇宙演化也密切相关。大家知道，宇宙大爆炸之后，随着温度的不断降低，物质开始出现。开始有质子、中子、轻元素，随后产生更重元素，直至生命的诞生等。所以，了解黄金从哪儿来的，或者了解金为什么比铁贵，也有助于我们了解宇宙发展演化的历史。

2    核物理的特殊地位

我们能看见的一切物质都是由原子、分子组成。原子的大小大概是10×10-10 m，是纳米的量级。原子核的大小大致是10×10-15 m。也就是说原子核要比原子小5个量级。

这是什么概念？假设把原子放大成100 m的一栋大楼，那么原子核的大小只有1 mm，所以原子核实际上是在原子内部非常小的一个空间内。但是，很奇特的是，虽然那么小，原子99.95%以上的质量都集中在原子核。而且原子核又是由和原子核差不多大小的质子和中子所组成的，但它们在原子核内部的运动却几乎是独立进行的，这是非常神奇的一件事情。

像玩積木一样，把不同数目的质子和中子组合在一起，如果组合的原子核是稳定的，那么就得到了一个稳定的原子核。到今天为止，我们周围丰富多彩的世界，实际上就是由不到100种元素，大约300种原子核所组成的。实验核物理学家利用加速器，通过核反应等手段，到目前为止合成了3 000种左右的原子核。理论物理学家通过各种基于核物理理论建立的模型，预言能有上万种的原子核。

核物理学家的具体任务，就是研究所有这些原子核的结构、反应、衰变以及产生的根源。这就是为什么“黄金为什么比铁贵”是核物理学家可以回答的问题。

实际上，核物理这门学科的重要性还可以体现在科学的基本问题上，即天体演化、物质结构、生命起源三大问题。很有意思的是，这三个基本问题，都和核物理密切相关。比如，生命起源问题，核物理学家的贡献是回答生命元素起源问题。

核科学可以带来无限广阔的应用，提到核的放射性的时候，有的人会很害怕，其实我们的生活离不开放射性。比如，医院里的X光或PET-CT，这些强有力的辅助治疗工具都来自核物理。甚至在治疗癌症的领域，也可以通过重离子加速器提供原子核束流，直接轰击癌细胞进行治疗。核科学和核技术与我们的生活已经密不可分了，其广泛应用包括能源的开发、农业上植物的改性、工业上产品的检测等。

核能非常重要，如果把轻的原子核结合成重的原子核，就会释放出能量。太阳每天干的事情就是燃烧氢生成氦，并且释放出能量。我们每天能够吸收到的能量只是太阳放出能量中很小的一部分，却能够提供我们在地球上生活所需要的全部能量。核电站利用的物理原理是把重核打碎，变成比较轻的原子核。由于重核的核子平均结合能不大，所以它变成中等质量核的时候，同样放出能量。在世界上第一次建成反应堆的时候，当时参与实验的科学家都在惊叹，这是人类历史上第一次使用非太阳能的能源。

此外，还有一个很有意思的问题，就是如果把人体内部的元素丰度分布图画出来，则可以发现，人体内部的元素丰度分布峰值很大程度上是由核物理确定。更神奇的是，如果把人体的元素丰度分布和自然界的元素丰度分布进行对比，除细微差别之外，两者的峰值基本一样。这就是流行语“人就是宇宙中的一粒尘埃”的科学起源。

3    现代科学创新之路：最强大脑

1966年8月1号的《人民日报》有一篇社论，社论里面有一句话非常重要：“那种认为物理学，特别是核物理学，只能由欧美某些大国所垄断的神话，早已破灭了。”这表明我们要认认真真地研究核物理。社论里面还有一句话，“我国的物理学工作者，希望能够解放思想，敢想、敢说、敢做、敢闯、敢革命，然后要在现代物理学的领域里，闯出自己的一条路子来。”这句话是对核物理工作者，甚至是对现在在学校里面读小学、中学或者大学的人的一种希望。

在现代科学的创新之路上，应该怎样闯出自己的一条路？牛顿曾说，“如果我比别人看得更远些，那是因为我站在巨人的肩上。”很多人可能觉得牛顿非常谦虚。但是我觉得，这句话说出了科学创新的基本规律和科学研究的方法：首先，要找到一个“巨人”;其次，要能够站在“巨人”的肩上，才能比别人看得更远一些。

在物理学的发展中，有两个影响非常重大的学派，一个是著名的哥本哈根学派，它催生了一大批诺贝尔物理学奖获得者，它的领导人是尼尔斯·玻尔（图3）。

在那个时代，世界各国著名的科学家基本上都到哥本哈根访问过。尼尔斯·玻尔最典型的风格是，客人去访问他，他会说，你来了太好了，我们可以从你那里学到很多东西。客人走的时候，他会说，你来了很好，我们从你那里学到了很多东西。无论谁做报告，尼尔斯·玻尔都会说，这个报告很有意思。但是，如果你的报告真是非常有意思，他真的非常感兴趣，尼尔斯·玻尔可能会深入讨论，而不仅仅说很有意思。有一个例子可以证明，尼尔斯·玻尔到美国去参加曼哈顿工程，在 Los Alamos对他的小儿子（奥格·玻尔）说，记住费曼，他是我说愚蠢想法的时候，唯一说“不”的人。所以，即使像尼尔斯·玻尔那么和蔼的人，也非常重视批判和质疑，或者说他非常尊重独立思考和批判性思维能力。

与哥本哈根学派风格完全不同的就是著名的朗道学派。它的领导人列夫·朗道（图4）培养学生的风格和尼尔斯·玻尔不同。

朗道接待客人，他的欢迎词可能是你来干什么，你能教我们什么东西。他对待学生的要求也非常高，每个学生来都要开门见山地告诉他，你的贡献是什么，你的想法是什么。其次，他重视创新思想的发现，要求每一篇论文必须要解决问题。他的学生里面出现了非常多优秀的人。比如，他的学生在2003年还获得诺贝尔物理学奖。

这是两个学派之间不同的风格，对我们国家今天重视创新，走出自己的一条路来，具有一定的启发性。

4    现代科学创新之路：精工利器

在科学创新的道路上，实验方面我用四个字总结：“精工利器”。使用最好的设备，做好充分的准备，才能够有大的发现。

著名的发现之一就是X射线。德国科学家伦琴通过一个偶然的机会，发现了X射线。在当时19世纪末期的欧洲引起了很大的反响，整个欧洲开始研究放射性。贝克勒尔本来是想去研究X射线，但是他意外地发现了比X射线还强的α射线。什么是α射线呢？这个问题最后由英国的物理学家卢瑟福解决，α射线是一种由原子核放出的粒子。卢瑟福把α射线作为一个强有力的武器，开启他探索微观世界的道路，他用α射线发现了原子的内部是空的，在原子里面有一个原子核，在原子核里面还有质子，这是他重要的发现。他的学生利用α射线发现原子核里面还有中子，解决了原子核的组成问题。所以，当时的α射线对核物理研究起到了相当重要的促进作用。

在此之后，人类开始用自己发明的工具来研究原子核，这个主要归功于劳伦斯。1932年，劳伦斯发明了加速器，为研究微观世界提供了有力的工具。为此，劳伦斯的名字被用来命名103号元素。并且，美国的劳伦斯伯克利国家实验室与劳伦斯利弗莫尔国家实验室，都是用他的名字来命名的。

1940年以后，美国科学家西博格领导着他的研究团队，利用劳伦斯发明的回旋加速器，先后发现了9个元素，为此获得了1951年的诺贝尔化学奖。

前苏联在元素合成方面也有非常大的贡献。前苏联的原子弹之父之一的乔治·弗洛伊洛夫的名字被用来命名114号元素。他的学生，俄罗斯著名科学家尤里·欧甘尼辛，他的名字被用来命名118号元素，如今80多岁了，也是目前唯一一位活着的“元素”。

除此之外，日本在超重元素合成方面的成果，也值得我们借鉴。发现113号元素的日本科学家森田浩介，几十年如一日地从事新元素研究。长达十年左右的时间，他几乎没有取得什么重要的成果。但是，经过长期坚持，他先把探测器做好，耐心地把前人合成107号到112号元素的每一个反应都重复实验。如果再往前走一步，就是牛顿说的“站在巨人的肩膀上”，只要他能够看得远一点，就有重要的、新的发现。所以，这个时候，如果谁合成113号元素，谁就合成了新的元素。有一位德国科学家大概坚持做了一个多月的实验就放弃了。而这位日本科學家坚持了七个多月，最后找到了三个原子核，发现了113号元素。2016年，国际纯粹与应用化学联合会宣布日本

取得113号元素的命名权，并且用日语的发音

“Nihon”命名。所以，从元素合成的科学史来看，科学研究需要先进的“精工利器”，需要有大胆的创新，但是更重要的是要有踏实、勤奋、努力的精神，一步一步地前进，才可以有很大的收获。

5    核物理的国际竞争

在核素图上，自然界存在的原子核不到300种，实验物理学家合成的原子核约 3 000种，理

论预言存在但还有待实验验证的原子核约7 000种。未来核物理竞争的一个方面就是探索这些目前尚未知道的原子核。图5是第一个考虑连续谱效应，正确描述接近滴线原子核性质的相对论理论给出的原子核核素图。它拓宽了其他模型预言的原子核版图，预言原子序数从8到130之间存在10 532 种束缚的原子核。

世界上各个主要的发达国家都在运行、建造、升级现有的加速器设施。特别是像德国的重离子物理研究所，有到目前为止投入最大的一个加速器设施，总投资大概是17亿欧元，接近20亿美金。日本的理化学研究所里，也运行着世界上目前最先进的稀有同位素的加速器设施。我国在兰州的中国科学院近代物理研究所，北京的中国原子能科学研究院，以及惠州正在新建的强流重离子加速器设施，也都正在或者即将进行不稳定原子核的研究。

为什么这些国家要投入巨资来建造这些大科学装置？实际上，这些大科学装置都是一个大型的科学平台。利用这些科学平台，我们可以开展从宏观到微观、从实验到理论的研究，研究不同层次的物理和不同层次的科学，这就是为什么世界各国都要在这方面进行研究的一个原因。

6    思考和对策

我和我的团队经过多年努力去发展理论模型，系统地给出了所有的原子核在核素图上的质量等基本性质。图5就是我们的微观理论给出的一个核素图。从这个核素图对应的物理量出发，有助于我们理解宇宙的元素丰度分布，回答宇宙中的元素起源，了解宇宙的“炼金术”是怎么完成的。

同时，根据今天自然界的元素丰度的分布，还可以校准宇宙的时钟，回答宇宙的年龄。我们也研究过一些更微观、更复杂的过程，比如说基本粒子的特性，从一个原子核衰变到另外一个原子核的时候，它为什么有的时候释放出中微子，有的时候没有释放中微子等问题。

我和我的团队还有一个重要的工作就是研究原子核的手性。大家知道手有手性，即无论通过怎样的平移或转动，左手和右手都不能重合在一起。在原子核层次，会不会有这样的手性？这是非常有意思的一件事情。

对原子核这样微观层次的研究对象，要知道原子核在干什么，可以通过原子核放出来的信号，如发生的衰变和发射出来的粒子来判断。比如说著名的物理学诺贝尔奖获得者奥格·玻尔（图6）和本·莫特森（图7）指出，如果原子核的能谱是等间距的，这表示原子核是球形。如果原子核能谱是按照平方关系逐步拉大的，那么它就是一个偏离了球对称的形状。

如图8所示，原子核的形状和运动模式对应的激发谱示意图，依次为（a）球形原子核振动模式对应的等间距能谱;（b）轴对称原子核转动模式对应的随角动量平方变化的激发谱;（c）手性原子核运动模式对应的手征双重带能谱;（d）基于不同形变和宇称之上的手性原子核运动模式对应的多重手征双带。

1997年的时候，一个偶然的机会，我们发现，这些能谱随着平方的关系逐渐加大的同时，还成对出现。这意味着什么？意味着原子核的手征对称性的破缺，实验特征为手性原子核运动模式对应的手征双重带能谱。四年之后，原子核的手征对称性破缺理论就被实验所证实。

2006年的时候，我们发现，如果手征运动模式与原子核的形变和宇称耦合，就会导致与之对应的多重手征双带，这就是基于不同形变和宇称之上的手性原子核运动模式对应的实验信号，典型例子包括原子核的多重手征对称性破缺。

原子核其实就像一个人一样，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应有它的多重性。2006年开始，我们每两年都会进一步发表一篇文章，从不同的角度阐述这个理论的正确性，同时积极推动实验验证。八年之后，美国的一个科学家团队在实验上证实了多重手征对称性破缺存在的证据，我们一起合作完成了这个工作。科学研究的道路上常常是这样，只要有第一个人证明这个事情是正确的，那么越来越多的工作就会反复不断地证明它。这也是判断一个工作或者预言正确与否的最好标志。一旦有人能证实它，或者越来越多的人去证实它的时候，它的正确性就得到了证实。特别应该指出的是，中国的科學家团队，除了发现原子核多重手征对称性的破缺之外，还发现它可以有反射对称性的联立破缺，这是非常基本的关于手征对称性和反射对称性联立破缺的发现。文章发表在美国的《物理评论快报》，它也是中国核物理领域第一篇被其选择为封面的文章，相关成果入选了2016年的中国高校十大科技进展。

致谢 感谢吴鑫辉对插图的修订以及王一平和邹伟江对文字的整理。

（栏目编辑    廖伯琴）