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黄金从哪来:宇宙的炼金术

万物本是太一,藉由分化从太一创造出来。——《翠玉录》
 
撰文 | 李然(国家天文台)
责编 | 吕浩然
 
黄金与贪欲
 
1532年11月16日,西班牙侵略者西斯科·皮萨罗与印加帝国皇帝阿塔瓦尔帕在秘鲁高原卡哈马卡相遇。皮萨罗只带了168名西班牙士兵。印加帝国的皇帝带着八万之众,他听闻这些士兵军容不整,完全是乌合之众,于是毫无防备地与这些西班牙人欣然会面,允许他们站在距离自己很近的地方交谈。
 
然而,他不知道的是这些西班牙人装备着远比自己部队先进的钢制盔甲、刀剑和火器。战争开始后,皇帝顷刻被皮萨罗俘虏,几乎所有的贵族和有能力指挥战斗的人也同时被消灭,印加帝国的军队随即土崩瓦解。
 
为了赎回自己的性命,阿塔瓦尔帕供上了一笔史上闻名的赎金——足以装满一间房屋(使用面积32平米,挑高2米4)的黄金。皮萨罗收下了赎金,但仍没有放过阿塔瓦尔帕的性命,他的贪欲超过了这些黄金。
 
西班牙和印加帝国远隔重洋,差不多是世界上距离最远的两处。皮萨罗没有受过多少教育,对印加帝国的历史几无了解。阿塔瓦尔帕无疑对西班牙更为无知,因此对自己遭遇的敌人毫无准备,不仅仅中了一个今天我们看来幼稚至极的圈套,并且也没有料到西班牙武器装备的威力,更不知道西班牙人的侵略恶绩。
 
但无论是侵略者皮萨罗,还是皇帝阿塔瓦尔帕,显然都深知黄金的价值。西班牙人为了黄金之国的诱惑不惜远渡重洋,印加皇帝也同样有收集黄金的爱好。在印加帝国,黄金被用于供奉神灵,装饰神庙和御座。
 
炼金,古来皆有之
 
虽然并不是每一个人都痴迷黄金,比如曼哈顿工程的科学家们曾经将实验用剩的黄金做了一个门垫。但“黄金对于人类有普遍的诱惑”这点似乎不必怀疑。黄金其实没有什么实际用途,它非常的“懒惰”:硫酸和强碱都不会侵蚀它,风吹雨淋也不会让它变质;它又很柔软,几乎无法胜任任何有实际作用的工具。即使黄金真的可以做些器物,那也注定是少数人的玩物;它的产量非常低,全世界每年开采的黄金总量,可以轻易地放入到一个普通人家的卧室里,而人类历史上所有开采出黄金的体积还不到一个体育馆。
 
黄金最大的用处在于它极为适合制作首饰及其它奢侈装饰物,这是因为黄金具有极高的延展性,无需加热就可以加工,一克的黄金甚至可以被拉成上千米的金丝。经过锤打,同样重量的黄金甚至可以被展开成近一平方米的金箔。
 
此外,黄金化学性质的懒惰以及稀少的产量也成就了它作为天然货币不可动摇的地位。想象一下,如果我们使用铁作为货币,它动不动就生锈的问题使得货币的持有人面临财富可能随着天气而贬值的风险。
 
黄金是如此的诱人。古今中外寄望能在自己的丹鼎或是坩埚中“点铁成金”的术士史不绝书。中国古代大炼丹家葛洪在著作《抱朴子》中开辟专篇,论述黄金炼制之道。他认为:水火是天生的,却可以通过方诸(一种承接露水的工具),阳燧(打火工具)获取,铅本来是白色的,却可以转化为赤丹,丹本性是红色的,却也可以变化为白色的铅。
 
变化是天地之间的自然规律,为何怀疑金银不可以用其它的物质来制作呢? 葛洪声称自己就生成了黄金,也亲眼见到过其他术士炼成黄金,并且也在自己的书中记录了炼制黄金的若干方法。其中一种涉及到使用雄黄、牛胆、赤土、石胆、戎盐等先炼出一种似铜的金属。用这种金属做成筒,再经过若干炼制后加入丹砂和水银即可炼成黄金[1]。
 
葛洪认为这是简约而有效的方法,不必有圣贤天才就可以实现。但另一方面又承认,虽然自己知道制作金银的方法,但自身却受困贫寒,确实无法让他人相信方法的有效性。古今中外的炼金术士其实莫不如此,纵然留下的炼金秘籍颇为丰富,但能够据此生成大量黄金,并经得起实验检验的却没有听闻。
 
葛洪对于物质变化的看法无疑有其道理。葛洪曾经加热丹砂,获得水银。这种成功迷惑了他,使他坚信黄金也可能通过某种方式炼制出来,但其实现难度却超出了他的估计。炼金者往往迷惑于黄金的外表,执着于还原黄金的色泽和其它外在性质,却没有理解到黄金之所以为黄金在于其完全由金原子构成。 
 
如果我们拿起一块黄金,将其切割为原状的一半,之后继续将每一半再次分割为二,并且不断地重复这个过程。最后,我们将得到一颗颗完全相同的代表黄金最基本单元的黄金微粒,也就是金原子。要想将黄金变为其它的金属,或者想要将其它金属转化为黄金,就必须在原子的层次上对其进行改造。
 
 
图1(下)中,我们可以看到一小块金子在解析到原子分辨率的样子。图中我们看到的一个金原子里,其实大多数地方是空的,而且远比气象卫星运行的太空环境空旷。几乎所有金原子的质量都集中在原子核心极小的区域里,绝大多数的空间由金原子的电子占据。
 
这些电子就好像是黄金别墅里的巡逻犬,围绕金原子核疯狂地运动。电子带有负电,而原子核带有正电。在黄金中,原子核和电子之间的吸引力将原子绑在一起,原子核彼此之间,同种电荷的电磁斥力又阻止它们紧密地结合在一起。
 
我们万花筒一样多彩的世界,在微观层面,完全是由少数几种像金原子这样的基本单元构成的。供我们呼吸的氧气是氧原子构成的单质。水则是由氧原子和氢原子构成的化合物。构成生命体的重要组件——蛋白质,则主要由氢原子、氧原子、碳原子、氮原子以及其它少数原子构成。
 
化学家将所有的原子按照原子核携带的正电荷的数目,按顺序排列起来,得到了一张记录所有原子的元素周期表。在元素周期表上一共118种元素,其中大多数在自然界中已经被发现,但也有少数序号很高的原子完全是人类在实验室中造出来的。
 
常见的金原子核中包含79个带正电的质子和118个不带电的中子。单个质子和单个中子的质量差不多,质子的数目决定了原子属于哪一种元素。具有同样质子数但不同中子数的原子互为同位素。金原子有5种主要的同位素,但只有包含118个中子的这种是稳定的。
 
葛洪在炼丹炉里将赤丹加热转化为水银,不过是让汞原子和硫原子最外层的电子数目发生了一些变化。距离改变原子核的属性还差得很远。事实上,直到1932年,查德威克用一束α射线(就是氦原子核)轰击硼原子,敲出了硼原子核中的中子,并且将硼原子转化成了氮的同位素(13N),人类才第一次真正解锁了操作原子核的技能(严格来说,在查德威克之前已经有科学家打破过原子核,但查德威克是第一个提出正确理论解释的人)。
 
不过,除了在少数的物理学实验室或者是大型对撞机里,原子在地球上是相当“安全”的。诚然,有些自然界发生的化学反应会使得原子丢失一两个电子,但除非原子本身不稳定,无论是火山口的熔岩中,还是地球核心的高温高压环境,都难以伤害原子核分毫。那么,问题来了。地球上为什么会存在黄金呢?更进一步地,地球上为什么会存在这么多种不同的元素呢?
 
太阳能生成黄金么?
 
黄金的起源需要到宇宙空间中追寻。从宇宙历史中看,大规模的“炼金活动”只有两种可能的场所:宇宙大爆炸和恒星熔炉。在这些极端环境中,原子核携带了极高的动能。当它们互相碰撞时,原子核之间的库伦斥力也无法阻挡原子核的结合。新的元素可以从中诞生。
 
宇宙曾经在早期处于一种高温高密度的状态。在宇宙诞生早期,宇宙空间是充斥着纯粹能量的海洋。随着宇宙膨胀,宇宙空间的温度会下降,基本粒子开始从热平衡中冻结出来。在宇宙大爆炸后1秒,宇宙充满了自由的质子(也就是氢原子核)和自由的中子。在随后的3分钟里,几乎所有的中子都被原子核俘获,净效应是产生了大量的氦元素。宇宙中普通物质总量的1/4变成了氦。
 
宇宙大爆炸早期合成元素虽然很高效,但很快后力不继。随着宇宙的膨胀,宇宙中原子之间的平均距离越来越大,宇宙中的温度也变得越来越低,这意味着原子之间的碰撞变得越来越困难。在氦原子(4He)合成后,宇宙中的温度和密度已经不再适合更高序号的元素合成,只有极为少量的锂元素(7Li)合成。
 
宇宙在锂元素形成后陷入了无聊,没有光,也没有生气。但在黑暗中,氢元素和氦元素渐渐汇聚,酝酿恒星的革命。在宇宙大爆炸大约1亿年后,第一批恒星诞生了。一般认为这些恒星相比太阳都是巨无霸,它们的能量倾泻而出,再次照亮了宇宙。在这些恒星的核心,氢元素和氦元素被加工为更高序数的元素。
 
地球的主星——太阳的核心也在进行着这样的元素加工活动。在太阳的中心,温度高达1500万摄氏度。在这样的温度下,两个氢原子核会携带很高的动能互相碰撞,聚合成更高序号的原子。不过,太阳当然不会是地球上黄金的来源,因为太阳和地球几乎在差不多的时间形成(约为50 亿年前),还来不及合成重元素,更不要说将重元素传递给地球。
 
太阳已经在它的核心处进行了50亿年的元素创造,但依然在产生氦原子。具体来说,两个氢原子核也就是两个质子相互碰撞,形成包含一个质子和一个中子的氘原子核(2H),同时放出一个正电子和一个中微子。 氘原子核随后可以结合一个氢原子核转化为氦的同位素3He。两个3He原子核可以合成一个4He原子核并且释放出两个质子(图2)。
 
这一系列反应中,氘和3He只不过是中间产物,净效果是4个氢原子核合成了一个氦原子核(4He)。一个氦原子的质量略小于四个氢原子的质量之和。这中间的质量差别都转化为了太阳的光和热。每秒钟太阳会将六亿吨的氢原子转化为氦原子,产生的能量中极其微小的一部分被地球接收到,供给地球上的生命所需。 
 
 
太阳可以再继续工作50亿年。之后,恒星会转入短暂的氦燃烧阶段。在那个时候,太阳中心的温度将会升高到足以让氦元素发生聚变反应,生成碳元素。但因为太阳的质量不够大,无法在合成碳以后继续聚变反应链条。
 
不过,太阳这样质量较小的恒星并非无法生成更重的元素,在低质量恒星的演化晚期,恒星内部存在很多的中子。中子不带电,更容易和原子核结合。如果原子核只是积累中子,那么它并不会变成另一种元素。但是随着中子的积累,原子核开始变得不稳定,其中的一些中子会自发的转变为质子。通过这样的方式,原子核增加了质子数,变成了序号更高的元素。
 
制造航空航天部件所必须的钛、体温计中的水银,都可以通过这种方式形成。太阳这样的低质量恒星甚至可能在演化晚期炼出一些金和银。但这种缓慢的中子积累方式,不足以生成地球上最重的一些元素,例如铀238。而理论计算显示,黄金的主要炼成地,也不是太阳这样的初级炼金家。
 
合成黄金的另一道坎
 
完成黄金的“魔术”需要更大质量的恒星。理论计算表明,如果一个恒星的质量大于8倍太阳质量,其核心就有足够的温度发生碳聚变之后的反应。更重的原子核会像搭积木一样被快速地制造出来。有趣的是,原子核的积木并不是依照原子序数按部就班地增长的。有一些积木的组合要比其它的组合更容易产生。
 
这是因为较重的元素的原子核中因为质子数量变多,带的正电荷也会变多。两个重元素之间的结合难度要大于结合一个较轻的原子核的难度。在大质量恒星的演化中,原子核倾向于不断的结合氦核增长。这样,核子数12的碳、核子数16的氧、核子数20的氖、核子数24的镁以及核子数28的硅形成的几率要远大于其它的原子核。
 
那么在大质量恒星内部,可以一直这样下去,进而合成黄金吗?答案是否定的,还有一个巨大的障碍横亘在合成黄金的道路上,那就是铁。
 
铁是元素周期表中的第26号元素。包含30个中子和26个质子的铁原子核是所有原子核中最稳定的。前面提到,在大质量恒星演化后期,原子核俘获氦核会使得原子数为4的倍数的原子核更容易形成。硅28俘获7个氦核后就可以形成镍56,但镍56不稳定,会经历两次衰变成为铁56。
 
一旦原子核演化到铁,它就很难通过聚变继续成长为更重的原子核。这样铁在恒星的中心自然地就富积起来。一旦铁在恒星中心形成,恒星的末日也就不远了。因为任何试图改变铁原子核的反应,都会吸收能量。
 
换句话说,当恒星的中心被铁占据,那么恒星的熔炉就熄灭了,不再有源源不断地能量的供给。失去中心能源支撑的恒星会迅速的垮塌,星体在自身引力的拉扯下,无可救药地落向中心,最后报复性地反弹膨胀,形成璀璨的爆发——超新星爆发。
 
有趣的是,铁的形成虽然杀死了恒星,阻止元素的合成继续进行。但铁引发的超新星爆发却提供了另一条形成重元素的途径。在超新星爆发前夕,恒星中心极为致密。大量的质子和电子结合变为中子,创造了富含中子的环境。
 
在这种情况下,铁和比铁更重的原子核可以迅速地获得中子,提升核子数,变成很重的原子核,再通过衰变,形成更高序数的元素。这个过程和低质量恒星演化晚期的炼金方式类似,但原子核获得中子的速度要快得多,一般被称之为r-过程,其中r代表快速(rapid)的意思。
 
黄金发源地——千新星
 
人们一度认为超新星炼金炉已经解决了宇宙中重元素的问题。但是,在计算了大质量恒星超新星爆发速率,和每次能够抛出的重元素量后,研究者开始怀疑,超新星熔炉也许远不足以生成银河系中所有的黄金。怎么办?理论家们的解答倒也很简单,如果杀死一颗恒星造不出足够的黄金,那就杀死两颗!
 
大质量恒星死亡后,根据质量的不同,死亡的遗迹可能是一个黑洞,也可能是一颗中子星。有时,两颗相互绕转的恒星可以都变成中子星。1974年,麻省大学的天文学家泰勒和罗素发现了一对绕转非常快的中子星,在经过多年的监测后,泰勒发现中子星相互之间的距离变小了[9]。
 
这是因为中子星在相互绕转过程中会产生引力波,损失动能而靠得越来越近。也就是说,终有一天,这对双中子星会合并到一起。有科学家猜想,在最终的合并过程中,双中子星会将部分物质抛射出来,形成一个富含中子,可以炼制重元素的环境[8]。这个学说在上世纪九十年代末再次被拾起,越来越多的研究者开始意识到,这可能才是宇宙重元素的来源。 
 
如何从观测上验证这个猜想?人类可以通过多种渠道去观测双中子星的合并。中子星是非常致密的天体,会扭曲周围的时空。当中子星合并的最后时候,它们会搅动很强的时空涟漪,以引力波的形式传播开来。同时,理论家普遍相信双中子星合并会产生短时标的伽马射线暴。这种短伽马射线暴已经多次被空间伽马射线卫星探测到。
 
最后,双中子星在合并过程中会抛出富含中子的物质,这部分物质会在短时间里衰变,放出能量。这个过程中,天体会在短暂时间内在可见光波段变得极亮。
 
这种观测渠道最早由普林斯顿大学的李立新(现为北京大学教授)和帕钦斯基(Bohdan Paczyński)提出[5]。这种天体爆发现象后来被称作“千新星(kilonova)”。(超新星一词由Metzger等人提出,因为千新星最亮的时刻大约是普通“新星”亮度的1000倍,或者说是太阳亮度的几千万倍。新星也是一种天体的亮度爆发事件,一般是因为白矮星吸积气体到表面,产生短暂的核聚变造成的。)
 
如果联系前文,读者应该能想到,这种可见光波段的变亮,正是和重元素的合成紧密联系。只有观测到“千新星“,研究者才能确认黄金的产生。
 
2017年8月,一次双中子星合并产生的引力波被LIGO探测到。同时,在伽马射线波段工作的费米卫星也在同一天区监测到了一次短伽马射线暴现象。这是第一次,人类从观测上正式确认了中子星合并和伽马射线的联系。此前的所有引力波探测事件,都是由双黑洞合并引起的,这也是第一次人类有可能同时用引力波和电磁波两种手段探测天体爆发事件。
 
讯息一经公布,引起了全球天文学家热情地跟踪观测,超过70家天文台对这个天区进行了详细的跟踪观测。很快地,这个天区如理论预期般,短暂的出现了明亮的天体——千新星。
 
通过分析它的光谱和亮度变化,研究者们很大程度上肯定了在这次双中子星合并事件中,确实产生了重元素。另一些研究者的计算表明,如果我们看到的这次合并现象不是纯然的巧合,那么中子星合并也许真的足以产生宇宙中大多数的黄金[4,6,7]。
 
Joni Mitchell的歌中唱到:“我们是星尘”。这是真的!不仅仅是我们自身,我们日常接触到的世界上的一切事物,都来自于宇宙。黄金,虽然形成历史曲折,但也同样是来自宇宙的尘埃。天文学家研究黄金的来源,并非为了获取黄金,而是醉心于了解宇宙万物间的联系。
 
据说,在双中子星合并被探测到不久,黄金市价因为随之而来的“引力波探测到黄金”新闻有小幅的下跌。是否热衷黄金交易的人们也多少感到了宇宙的浩渺,时空无限,而对自己收集宇宙尘埃的乐此不疲的生涯感到一丝怀疑呢?
 
作者简介
· 李然,毕业于北京大学天文系,获理学学士学位(2006年)和博士学位(2011年)。其后在国家天文台从事博士后研究,现在为国家天文台星云计划研究员。主要研究领域:引力透镜,星系形成以及宇宙学。其科普著作《漫步到宇宙尽头》入选科技部2017年度优秀科普图书。
 
参考文献:
[1] 《抱朴子内篇·黄白第十六》,葛洪
[2] 《枪炮、细菌与钢铁》,贾雷德.戴蒙德
[3] 《诗意的原子》,科特.施塔格
[4] 《自然》文集:Kilonovae, short gamma-ray bursts & neutron star mergers
https://www.nature.com/collections/gghkrvklfb,M. Coleman Miller等人
[5] Transient Events from Neutron Star Mergers, Li, L.-X., Paczyński, B., 1998, ApJ, 507, 59 
[6] The Origin of r-process Elements in the Milky way, Cote, B. et al., 2017, Arxiv:171005875
[7] GW170817: Observation of Gravitational Waves from a Binary Neutron Star Inspiral, Abbott, B.P. et al., 2017,PRL, 119, 1101
[8] Black-hole-neutron-star collisions, Lattimer, J. M., Schramm, D. N, 1974, ApJ, 192, 145
[9] A new test of general relativity - Gravitational radiation and the binary pulsar, Taylor, J. H., Weisberg, J. M., 1982, ApJ, 253, 908
[10] https://www.york.ac.uk/nanocentre/facilities/fetem/
[11] http://collection.sina.com.cn/jczs/2015-12-04/doc-ifxmisxu6239494.shtml
[12] http://odec.ca/projects/2009/xing9d2/img/img2.jpg
[13] http://blog.sdss.org/2017/01/09/origin-of-the-elements-in-the-solar-system/



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