圖蟲(chóng)創(chuàng)意

把鉛變成金，這是中世紀(jì)煉金術(shù)士最大的夢(mèng)想。現(xiàn)在，這個(gè)看似不可能的夢(mèng)想，真的被科學(xué)家實(shí)現(xiàn)了！

但是，鉛怎么可能變成金呢？它們是完全不同的元素啊。沒(méi)錯(cuò)，從化學(xué)角度來(lái)說(shuō)，確實(shí)不行。鉛原子核里有82個(gè)質(zhì)子，而金是79個(gè)，兩者差了整整3個(gè)質(zhì)子。因此用任何化學(xué)方法都無(wú)法讓它們互相轉(zhuǎn)化。

但如果我們換個(gè)思路，用物理的方法呢？比如，想辦法把鉛核中的3個(gè)質(zhì)子“打”出來(lái)，那會(huì)發(fā)生什么？聽(tīng)起來(lái)天方夜譚，但就在今年5月，歐洲核子研究中心（CERN）的科學(xué)家們?cè)诖笮蛷?qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）的一場(chǎng)鉛核對(duì)撞實(shí)驗(yàn)中，真的實(shí)現(xiàn)了這個(gè)操作——他們把鉛變成了金。雖然金的產(chǎn)量極少，存在的時(shí)間也不到一秒，但確確實(shí)實(shí)產(chǎn)生了金！

那么，他們是怎么做到的？

大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)，許多人可能都聽(tīng)說(shuō)過(guò)，這是世界上最強(qiáng)大的粒子加速器。科學(xué)家們通常用它來(lái)加速質(zhì)子，把它們推到接近光速，再讓它們正面相撞，借此產(chǎn)生各種奇特的粒子，比如大名鼎鼎的希格斯玻色子，或者質(zhì)量比質(zhì)子還大得多的頂夸克。

但大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)不只是加速質(zhì)子，它還可以加速帶正電的原子核，比如鉛核。每個(gè)鉛核有82個(gè)質(zhì)子，因此帶有強(qiáng)大的正電荷。當(dāng)兩個(gè)鉛核在加速器中正面相撞時(shí)，它們的質(zhì)子和中子會(huì)被猛烈打碎，釋放出構(gòu)成它們的基本粒子——夸克和膠子，從而形成一種只有在宇宙誕生之初才存在的熾熱而致密的物質(zhì)狀態(tài)，叫作夸克-膠子等離子體（quark-gluon plasma）。大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)中的ALICE實(shí)驗(yàn)，就是專(zhuān)門(mén)研究這種極端的物質(zhì)狀態(tài)。

但這樣“硬碰硬”的正面撞擊其實(shí)并不常見(jiàn)，大多數(shù)時(shí)候，這些鉛核在空間中只是擦肩而過(guò)——它們之間的距離非常小，但沒(méi)真正撞上。你可能會(huì)以為，既然沒(méi)碰到，那就什么都不會(huì)發(fā)生。但實(shí)際上，即便沒(méi)有物理接觸，這種“擦肩而過(guò)”也可能引發(fā)奇妙的物理過(guò)程。

為什么？因?yàn)殂U核會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的電磁場(chǎng)。而在接近光速的運(yùn)動(dòng)下，根據(jù)狹義相對(duì)論的洛倫茲收縮效應(yīng)，這個(gè)電磁場(chǎng)會(huì)被壓縮成一個(gè)非常薄、像“煎餅”一樣的形狀。這時(shí)候，物理學(xué)家可以把這個(gè)被壓縮的電磁場(chǎng)等效地看作是一束虛光子流。

當(dāng)這束虛光子流“掃過(guò)”另一個(gè)鉛核時(shí)，有可能會(huì)引發(fā)一種現(xiàn)象，叫作電磁離解。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是光子激發(fā)了原子核內(nèi)部的集體振蕩，讓其中一部分中子甚至質(zhì)子被“抖”出來(lái)。

你可以把這個(gè)過(guò)程想象成：兩輛賽車(chē)在高速賽道上擦肩飛馳，雖然沒(méi)有碰撞，但它們帶起的空氣亂流卻能把對(duì)方車(chē)上的裝飾件掀飛。同樣的，即使兩個(gè)鉛核沒(méi)有直接撞上，它們之間強(qiáng)大的電磁場(chǎng)也能把對(duì)方原子核的一部分“吹”出來(lái)。

如果一個(gè)鉛核因此失去了中子，它就變成了另一種同位素；但如果丟掉的是質(zhì)子，那它就不再是鉛了，而是變成了新的元素。

那我們是怎么知道鉛變成了金呢？

在ALICE實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家使用了一種非常敏感的探測(cè)器，叫做“零度量熱計(jì)”。它的任務(wù)是測(cè)量粒子的能量，以及經(jīng)過(guò)復(fù)雜統(tǒng)計(jì)和分析，統(tǒng)計(jì)那些從鉛核中“抖”出來(lái)的質(zhì)子數(shù)量。

如果一個(gè)質(zhì)子被踢出，它可能變成了鉈；
踢出兩個(gè)，就是汞；
踢出三個(gè)，那就是金了。

左：兩個(gè)鉛核擦肩而過(guò)；右：在電磁離解過(guò)程中，其中一個(gè)鉛核失去了2個(gè)中子和3個(gè)質(zhì)子，變成了金核。圖源：CERN

雖然變成金的情況相對(duì)更罕見(jiàn)，但實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，在 ALICE 的碰撞點(diǎn)，每秒鐘最多仍能產(chǎn)生多達(dá)89,000個(gè)金原子核。不過(guò)這些金核在飛離碰撞點(diǎn)后，就會(huì)直接撞上束流管或準(zhǔn)直器。在撞擊中，它們立刻碎裂，變成質(zhì)子、中子等粒子。所以金確實(shí)出現(xiàn)了，但它存在的時(shí)間非常的短暫。

根據(jù)ALICE團(tuán)隊(duì)的估算，在第二輪運(yùn)行（2015–2018 年）中，四個(gè)主要實(shí)驗(yàn)共計(jì)產(chǎn)生了大約 860 億個(gè)金核，總質(zhì)量約為 29 皮克（2.9 × 10?11 克）。而在第三輪中，由于加速器亮度提升，金的產(chǎn)量還翻了一倍。但就算是這樣，這點(diǎn)金子連看都看不見(jiàn)，更別提煉金致富了。

所以，從技術(shù)上講，煉金術(shù)士的夢(mèng)想已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了——鉛確實(shí)可以變成金。但從現(xiàn)實(shí)上說(shuō)，他們靠這個(gè)發(fā)財(cái)?shù)南Ｍ矎氐灼茰缌恕８螞r，為了變出這些金，科學(xué)家們可是要耗費(fèi)巨大的代價(jià)建設(shè)和運(yùn)行整個(gè)對(duì)撞機(jī)！

雖然這項(xiàng)成果無(wú)法帶來(lái)金山銀海，但它不僅讓我們更好地理解了電磁離解這一基礎(chǔ)物理過(guò)程，甚至還可能影響下一代粒子加速器的設(shè)計(jì)思路。

本文為科普中國(guó)·創(chuàng)作培育計(jì)劃扶持作品

作者：陳佳君 原理主編
審核：周曉亮 北京交通大學(xué)物理學(xué)實(shí)驗(yàn)室 高級(jí)工程師；劉路 華東師范大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院 教授
出品：中國(guó)科協(xié)科普部
監(jiān)制：中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司

來(lái)源: 科普中國(guó)創(chuàng)作培育計(jì)劃

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