黃金從哪來：宇宙的鍊金術 | 天問專欄
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雙中子星合併示意圖：扭曲的網格顯示了引力波輻射造成的空間扭曲，噴射狀的光束是伽馬射線暴的藝術表現；旋轉的氣體代表在合併中被拋出的物質，圖片來源：LIGO Caltech。
萬物本是太一，藉由分化從太一創造出來。
——《翠玉錄》
撰文 | 李然（國家天文台）
責編 | 呂浩然
天問專欄
· 他們腳踏幾千米高原，只為多仰望星空一眼
（附一至十期文章）
· 有人要挑戰暗物質理論，並邁開了「萬里長征」的第一步
· 科學家錯了怎麼辦：有人承認自己搞砸了，也有人拒絕這麼做
· 黑洞質量之謎的七塊拼圖
· 從一聲啁啾中，如何窺得一絲宇宙的奧秘？
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黃金與貪慾
問
天
1532年11月16日，西班牙侵略者西斯科·皮薩羅與印加帝國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。印加帝國的皇帝帶著八萬之眾，他聽聞這些士兵軍容不整，完全是烏合之眾，於是毫無防備地與這些西班牙人欣然會面，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比自己部隊先進的鋼製盔甲、刀劍和火器。戰爭開始後，皇帝頃刻被皮薩羅俘虜，幾乎所有的貴族和有能力指揮戰鬥的人也同時被消滅，印加帝國的軍隊隨即土崩瓦解。
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平米，挑高2米4）
的黃金。皮薩羅收下了贖金，但仍沒有放過阿塔瓦爾帕的性命，他的貪慾超過了這些黃金。西班牙和印加帝國遠隔重洋，差不多是世界上距離最遠的兩處。皮薩羅沒有受過多少教育，對印加帝國的歷史幾無了解。阿塔瓦爾帕無疑對西班牙更為無知，因此對自己遭遇的敵人毫無準備，不僅僅中了一個今天我們看來幼稚至極的圈套，並且也沒有料到西班牙武器裝備的威力，更不知道西班牙人的侵略惡績。
但無論是侵略者皮薩羅，還是皇帝阿塔瓦爾帕，顯然都深知黃金的價值。西班牙人為了黃金之國的誘惑不惜遠渡重洋，印加皇帝也同樣有收集黃金的愛好。在印加帝國，黃金被用於供奉神靈，裝飾神廟和御座。
煉金，古來皆有之
問
天
雖然並不是每一個人都痴迷黃金，比如曼哈頓工程的科學家們曾經將實驗用剩的黃金做了一個門墊。但「黃金對於人類有普遍的誘惑」這點似乎不必懷疑。黃金其實沒有什麼實際用途，它非常的「懶惰」：硫酸和強鹼都不會侵蝕它，風吹雨淋也不會讓它變質；它又很柔軟，幾乎無法勝任任何有實際作用的工具。即使黃金真的可以做些器物，那也註定是少數人的玩物；它的產量非常低，全世界每年開採的黃金總量，可以輕易地放入到一個普通人家的卧室里，而人類歷史上所有開採出黃金的體積還不到一個體育館。
黃金最大的用處在於它極為適合製作首飾及其它奢侈裝飾物，這是因為黃金具有極高的延展性，無需加熱就可以加工，一克的黃金甚至可以被拉成上千米的金絲。經過錘打，同樣重量的黃金甚至可以被展開成近一平方米的金箔。
此外，黃金化學性質的懶惰以及稀少的產量也成就了它作為天然貨幣不可動搖的地位。想像一下，如果我們使用鐵作為貨幣，它動不動就生鏽的問題使得貨幣的持有人面臨財富可能隨著天氣而貶值的風險。
黃金是如此的誘人。古今中外寄望能在自己的丹鼎或是坩堝中「點鐵成金」的術士史不絕書。中國古代大煉丹家葛洪在著作《抱朴子》中開闢專篇，論述黃金煉製之道。他認為：水火是天生的，卻可以通過方諸
（一種承接露水的工具）
，陽燧（打火工具）
獲取，鉛本來是白色的，卻可以轉化為赤丹，丹本性是紅色的，卻也可以變化為白色的鉛。變化是天地之間的自然規律，為何懷疑金銀不可以用其它的物質來製作呢？ 葛洪聲稱自己就生成了黃金，也親眼見到過其他術士煉成黃金，並且也在自己的書中記錄了煉製黃金的若干方法。其中一種涉及到使用雄黃、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，再經過若干煉製後加入丹砂和水銀即可煉成黃金
[1]
。葛洪認為這是簡約而有效的方法，不必有聖賢天才就可以實現。但另一方面又承認，雖然自己知道製作金銀的方法，但自身卻受困貧寒，確實無法讓他人相信方法的有效性。古今中外的鍊金術士其實莫不如此，縱然留下的煉金秘籍頗為豐富，但能夠據此生成大量黃金，並經得起實驗檢驗的卻沒有聽聞。
葛洪對於物質變化的看法無疑有其道理。葛洪曾經加熱丹砂，獲得水銀。這種成功迷惑了他，使他堅信黃金也可能通過某種方式煉製出來，但其實現難度卻超出了他的估計。煉金者往往迷惑於黃金的外表，執著於還原黃金的色澤和其它外在性質，卻沒有理解到黃金之所以為黃金在於其完全由金原子構成。
如果我們拿起一塊黃金，將其切割為原狀的一半，之後繼續將每一半再次分割為二，並且不斷地重複這個過程。最後，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。要想將黃金變為其它的金屬，或者想要將其它金屬轉化為黃金，就必須在原子的層次上對其進行改造。
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圖1（上）：中國西漢海昏侯墓中出土的金餅。
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圖1（下）：電子顯微鏡之下的一小塊黃金的樣子。粗略的說，每一個凸起，就是一個金原子大致的樣子。金原子半徑是一個五角硬幣的一億分之一 [10，11]。圖1
（下）
中，我們可以看到一小塊金子在解析到原子解析度的樣子。圖中我們看到的一個金原子里，其實大多數地方是空的，而且遠比氣象衛星運行的太空環境空曠。幾乎所有金原子的質量都集中在原子核心極小的區域里，絕大多數的空間由金原子的電子佔據。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動。電子帶有負電，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合在一起。
我們萬花筒一樣多彩的世界，在微觀層面，完全是由少數幾種像金原子這樣的基本單元構成的。供我們呼吸的氧氣是氧原子構成的單質。水則是由氧原子和氫原子構成的化合物。構成生命體的重要組件——蛋白質，則主要由氫原子、氧原子、碳原子、氮原子以及其它少數原子構成。
化學家將所有的原子按照原子核攜帶的正電荷的數目，按順序排列起來，得到了一張記錄所有原子的元素周期表。在元素周期表上一共118種元素，其中大多數在自然界中已經被發現，但也有少數序號很高的原子完全是人類在實驗室中造出來的。
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元素周期表，圖片來源：Sciencenotes.org常見的金原子核中包含79個帶正電的質子和118個不帶電的中子。單個質子和單個中子的質量差不多，質子的數目決定了原子屬於哪一種元素。具有同樣質子數但不同中子數的原子互為同位素。金原子有５種主要的同位素，但只有包含118個中子的這種是穩定的。
葛洪在煉丹爐里將赤丹加熱轉化為水銀，不過是讓汞原子和硫原子最外層的電子數目發生了一些變化。距離改變原子核的屬性還差得很遠。事實上，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，並且將硼原子轉化成了氮的同位素(
13
N
)，人類才第一次真正解鎖了操作原子核的技能（嚴格來說，在查德威克之前已經有科學家打破過原子核，但查德威克是第一個提出正確理論解釋的人）
。不過，除了在少數的物理學實驗室或者是大型對撞機里，原子在地球上是相當「安全」的。誠然，有些自然界發生的化學反應會使得原子丟失一兩個電子，但除非原子本身不穩定，無論是火山口的熔岩中，還是地球核心的高溫高壓環境，都難以傷害原子核分毫。那麼，問題來了。地球上為什麼會存在黃金呢？更進一步地，地球上為什麼會存在這麼多種不同的元素呢？
太陽能生成黃金么？
問
天
黃金的起源需要到宇宙空間中追尋。從宇宙歷史中看，大規模的「煉金活動」只有兩種可能的場所：宇宙大爆炸和恆星熔爐。在這些極端環境中，原子核攜帶了極高的動能。當它們互相碰撞時，原子核之間的庫倫斥力也無法阻擋原子核的結合。新的元素可以從中誕生。
宇宙曾經在早期處於一種高溫高密度的狀態。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，宇宙空間的溫度會下降，基本粒子開始從熱平衡中凍結出來。在宇宙大爆炸後1秒，宇宙充滿了自由的質子
（也就是氫原子核）
和自由的中子。在隨後的3分鐘里，幾乎所有的中子都被原子核俘獲，凈效應是產生了大量的氦元素。宇宙中普通物質總量的1/4變成了氦。宇宙大爆炸早期合成元素雖然很高效，但很快後力不繼。隨著宇宙的膨脹，宇宙中原子之間的平均距離越來越大，宇宙中的溫度也變得越來越低，這意味著原子之間的碰撞變得越來越困難。在氦原子
（ 4
He
）合成後，宇宙中的溫度和密度已經不再適合更高序號的元素合成，只有極為少量的鋰元素（ 7
Li
）合成。宇宙在鋰元素形成後陷入了無聊，沒有光，也沒有生氣。但在黑暗中，氫元素和氦元素漸漸匯聚，醞釀恆星的革命。在宇宙大爆炸大約1億年後，第一批恆星誕生了。一般認為這些恆星相比太陽都是巨無霸，它們的能量傾瀉而出，再次照亮了宇宙。在這些恆星的核心，氫元素和氦元素被加工為更高序數的元素。
地球的主星——太陽的核心也在進行著這樣的元素加工活動。在太陽的中心，溫度高達1500萬攝氏度。在這樣的溫度下，兩個氫原子核會攜帶很高的動能互相碰撞，聚合成更高序號的原子。不過，太陽當然不會是地球上黃金的來源，因為太陽和地球幾乎在差不多的時間形成
（約為50 億年前）
，還來不及合成重元素，更不要說將重元素傳遞給地球。太陽已經在它的核心處進行了50億年的元素創造，但依然在產生氦原子。具體來說，兩個氫原子核也就是兩個質子相互碰撞，形成包含一個質子和一個中子的氘原子核
（ 2
H
），同時放出一個正電子和一個中微子。 氘原子核隨後可以結合一個氫原子核轉化為氦的同位素3
He
。兩個3
He
原子核可以合成一個4
He
原子核並且釋放出兩個質子（圖２)
。這一系列反應中，氘和 3
He
只不過是中間產物，凈效果是4個氫原子核合成了一個氦原子核（ 4
He
）。一個氦原子的質量略小於四個氫原子的質量之和。這中間的質量差別都轉化為了太陽的光和熱。每秒鐘太陽會將六億噸的氫原子轉化為氦原子，產生的能量中極其微小的一部分被地球接收到，供給地球上的生命所需。
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圖２：太陽中心的核聚變反應。紅球代表質子，灰球代表中子，白球代表正電子，圖片摘自文獻[12]
。太陽可以再繼續工作50億年。之後，恆星會轉入短暫的氦燃燒階段。在那個時候，太陽中心的溫度將會升高到足以讓氦元素髮生聚變反應，生成碳元素。但因為太陽的質量不夠大，無法在合成碳以後繼續聚變反應鏈條。
不過，太陽這樣質量較小的恆星並非無法生成更重的元素，在低質量恆星的演化晚期，恆星內部存在很多的中子。中子不帶電，更容易和原子核結合。如果原子核只是積累中子，那麼它並不會變成另一種元素。但是隨著中子的積累，原子核開始變得不穩定，其中的一些中子會自發的轉變為質子。通過這樣的方式，原子核增加了質子數，變成了序號更高的元素。
製造航空航天部件所必須的鈦、體溫計中的水銀，都可以通過這種方式形成。太陽這樣的低質量恆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。而理論計算顯示，黃金的主要煉成地，也不是太陽這樣的初級煉金家。
合成黃金的另一道坎
問
天
完成黃金的「魔術」需要更大質量的恆星。理論計算表明，如果一個恆星的質量大於8倍太陽質量，其核心就有足夠的溫度發生碳聚變之後的反應。更重的原子核會像搭積木一樣被快速地製造出來。有趣的是，原子核的積木並不是依照原子序數按部就班地增長的。有一些積木的組合要比其它的組合更容易產生。
這是因為較重的元素的原子核中因為質子數量變多，帶的正電荷也會變多。兩個重元素之間的結合難度要大於結合一個較輕的原子核的難度。在大質量恆星的演化中，原子核傾向於不斷的結合氦核增長。這樣，核子數12的碳、核子數16的氧、核子數20的氖、核子數24的鎂以及核子數28的硅形成的幾率要遠大於其它的原子核。
那麼在大質量恆星內部，可以一直這樣下去，進而合成黃金嗎？答案是否定的，還有一個巨大的障礙橫亘在合成黃金的道路上，那就是鐵。
鐵是元素周期表中的第26號元素。包含30個中子和26個質子的鐵原子核是所有原子核中最穩定的。前面提到，在大質量恆星演化後期，原子核俘獲氦核會使得原子數為4的倍數的原子核更容易形成。硅28俘獲7個氦核後就可以形成鎳56，但鎳56不穩定，會經歷兩次衰變成為鐵56。
一旦原子核演化到鐵，它就很難通過聚變繼續成長為更重的原子核。這樣鐵在恆星的中心自然地就富積起來。一旦鐵在恆星中心形成，恆星的末日也就不遠了。因為任何試圖改變鐵原子核的反應，都會吸收能量。
換句話說，當恆星的中心被鐵佔據，那麼恆星的熔爐就熄滅了，不再有源源不斷地能量的供給。失去中心能源支撐的恆星會迅速的垮塌，星體在自身引力的拉扯下，無可救藥地落向中心，最後報復性地反彈膨脹，形成璀璨的爆發——超新星爆發。
有趣的是，鐵的形成雖然殺死了恆星，阻止元素的合成繼續進行。但鐵引發的超新星爆發卻提供了另一條形成重元素的途徑。在超新星爆發前夕，恆星中心極為緻密。大量的質子和電子結合變為中子，創造了富含中子的環境。
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，變成很重的原子核，再通過衰變，形成更高序數的元素。這個過程和低質量恆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，一般被稱之為r-過程，其中r代表快速
（rapid）
的意思。黃金髮源地——千新星
問
天
人們一度認為超新星煉金爐已經解決了宇宙中重元素的問題。但是，在計算了大質量恆星超新星爆發速率，和每次能夠拋出的重元素量後，研究者開始懷疑，超新星熔爐也許遠不足以生成銀河系中所有的黃金。怎麼辦？理論家們的解答倒也很簡單，如果殺死一顆恆星造不出足夠的黃金，那就殺死兩顆！
大質量恆星死亡後，根據質量的不同，死亡的遺迹可能是一個黑洞，也可能是一顆中子星。有時，兩顆相互繞轉的恆星可以都變成中子星。1974年，麻省大學的天文學家泰勒和羅素髮現了一對繞轉非常快的中子星，在經過多年的監測後，泰勒發現中子星相互之間的距離變小了
[9]
。這是因為中子星在相互繞轉過程中會產生引力波，損失動能而靠得越來越近。也就是說，終有一天，這對雙中子星會合併到一起。有科學家猜想，在最終的合併過程中，雙中子星會將部分物質拋射出來，形成一個富含中子，可以煉製重元素的環境
[8]
。這個學說在上世紀九十年代末再次被拾起，越來越多的研究者開始意識到，這可能才是宇宙重元素的來源。如何從觀測上驗證這個猜想？人類可以通過多種渠道去觀測雙中子星的合併。中子星是非常緻密的天體，會扭曲周圍的時空。當中子星合併的最後時候，它們會攪動很強的時空漣漪，以引力波的形式傳播開來。同時，理論家普遍相信雙中子星合併會產生短時標的伽馬射線暴。這種短伽馬射線暴已經多次被空間伽馬射線衛星探測到。
最後，雙中子星在合併過程中會拋出富含中子的物質，這部分物質會在短時間裡衰變，放出能量。這個過程中，天體會在短暫時間內在可見光波段變得極亮。
這種觀測渠道最早由普林斯頓大學的李立新
（現為北京大學教授）
和帕欽斯基（Bohdan Paczyński）
提出[5]
。這種天體爆發現象後來被稱作「千新星（kilonova）
」。（超新星一詞由Metzger等人提出，因為千新星最亮的時刻大約是普通「新星」亮度的1000倍，或者說是太陽亮度的幾千萬倍。新星也是一種天體的亮度爆發事件，一般是因為白矮星吸積氣體到表面，產生短暫的核聚變造成的。）
如果聯繫前文，讀者應該能想到，這種可見光波段的變亮，正是和重元素的合成緊密聯繫。只有觀測到「千新星「，研究者才能確認黃金的產生。
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圖3：太陽系元素的起源。藍色的元素是由宇宙大爆炸合成的，橘黃色的重元素來自於雙中子星合併[13]
。2017年8月，一次雙中子星合併產生的引力波被LIGO探測到。同時，在伽馬射線波段工作的費米衛星也在同一天區監測到了一次短伽馬射線暴現象。這是第一次，人類從觀測上正式確認了中子星合併和伽馬射線的聯繫。此前的所有引力波探測事件，都是由雙黑洞合併引起的，這也是第一次人類有可能同時用引力波和電磁波兩種手段探測天體爆發事件。
訊息一經公布，引起了全球天文學家熱情地跟蹤觀測，超過70家天文台對這個天區進行了詳細的跟蹤觀測。很快地，這個天區如理論預期般，短暫的出現了明亮的天體——千新星。
通過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併事件中，確實產生了重元素。另一些研究者的計算表明，如果我們看到的這次合併現象不是純然的巧合，那麼中子星合併也許真的足以產生宇宙中大多數的黃金
[4,6,7]
。Joni Mitchell的歌中唱到：「我們是星塵」。這是真的！不僅僅是我們自身，我們日常接觸到的世界上的一切事物，都來自於宇宙。黃金，雖然形成歷史曲折，但也同樣是來自宇宙的塵埃。天文學家研究黃金的來源，並非為了獲取黃金，而是醉心於了解宇宙萬物間的聯繫。
據說，在雙中子星合併被探測到不久，黃金市價因為隨之而來的「引力波探測到黃金」新聞有小幅的下跌。是否熱衷黃金交易的人們也多少感到了宇宙的浩渺，時空無限，而對自己收集宇宙塵埃的樂此不疲的生涯感到一絲懷疑呢？
作者簡介
·
李然，畢業於北京大學天文系，獲理學學士學位（2006年）和博士學位（2011年）。其後在國家天文台從事博士後研究，現在為國家天文台星雲計劃研究員。主要研究領域：引力透鏡，星系形成以及宇宙學。其科普著作《漫步到宇宙盡頭》入選科技部2017年度優秀科普圖書。
參考文獻：
[1] 《抱朴子內篇·黃白第十六》，葛洪
[2] 《槍炮、細菌與鋼鐵》，賈雷德.戴蒙德
[3] 《詩意的原子》，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/
製版編輯：Livan
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