从古埃及、古希腊一直到中世纪,无数炼金术士一辈子都在追求一件事:把普通的铅、铁这类便宜金属,变成闪闪发光的黄金。几百年来,所有人都把这件事当成传说,觉得只是古人不了解化学,才产生的幻想。直到欧洲核子研究中心的科研团队,在大型强子对撞机上完成了铅转黄金的观测实验,一下子把延续几千年的“炼金术”,从神话拉进了现代物理实验室。很多人看到每秒生成8.9万个金原子这个数据,第一反应就是,以后黄金是不是要烂大街,手里的金条、金首饰会不会大幅贬值?今天咱们抛开网上各种夸大的段子,用普通人听得懂的话,把这项实验的真实情况、背后原理,还有对咱们普通人到底有没有影响,一次性讲明白。
这个实验,不是科学家专门为了造黄金才启动的。很多人不知道,大型强子对撞机最核心的任务,是模拟宇宙诞生初期的环境,研究物质最底层的构成。ALICE是对撞机上面一个重要实验项目,原本的目标,是观察两个重原子核高速擦肩而过的时候,会产生哪些新粒子,研究夸克胶子等离子体。黄金,只是这次实验里一个意外被观测到的产物,并不是实验想要拿到的成品。
实验地点在瑞士和法国交界的地下隧道,整台大型强子对撞机是一个周长27公里的环形装置。科研人员把铅离子不断加速,一直提升到接近光速,速度达到光速的99.999993%。正常大家想象的对撞,是两束原子核正面狠狠撞在一起,碎成一堆粒子碎片。但这次能产出金原子的,恰恰不是正面撞击,而是一种叫超外周碰撞的现象:两团铅原子核,差一点点撞上,互相擦肩而过,彼此之间并没有直接接触。
铅原子核里面一共有82个质子,黄金原子核里面是79个质子。元素到底是什么,核心就看原子核里面质子的数量,质子数量一变,元素就直接换成另一种。高速飞行的铅原子核,因为速度极快,自身强大的电磁场会被压缩,形成一阵高能光子脉冲。当这束光子扫过旁边另一个铅原子核,就会触发电磁离解反应,把铅原子核里面的质子、中子剥离出来。只要一个铅原子核刚好丢掉3个质子,再搭配一部分中子脱离,原本的铅,就从元素层面,转变成了金原子核,也就是金原子。
论文公布的数据显示,在铅离子对撞的过程当中,每秒最多可以观测到大约8.9万个新生成的金原子核。很多读者第一眼看到这个数字,会觉得产量很高,一秒钟近九万个,一天下来数量岂不是天文数字?这里就有一个很关键的误区,原子是极其微小的,单纯数个数,没有太大参考意义,一定要换算成重量来看。
根据ALICE团队的统计,从2015年到2018年,第二轮实验持续运行的这段时间,整套设备一共生成了大约860亿个金原子。860亿,听起来非常庞大,但是全部加在一起,总重量只有29皮克。皮克这个单位大部分人平时接触不到,1克等于一万亿皮克,也就是说这一批全部黄金,重量只有29万亿分之一克。别说拿在手里,就算用普通显微镜,都根本看不到。一粒细小灰尘的重量,都比这堆金原子重成千上万倍。
除此之外,这批刚刚诞生的金原子核,状态极不稳定,存活时间大多只有1微秒左右,也就是百万分之一秒。它们诞生之后,要么飞快撞到探测器、管壁上面直接消散,要么自行分裂成其他粒子,根本没有机会聚在一起,形成一小块固态黄金。简单来说,仪器只能捕捉到“曾经出现过金原子”这个信号,没办法把这些黄金收集起来,做成我们平时见到的黄金材料。不少自媒体直接说成“已经造出黄金”,省略了无法收集、存续时间极短这个关键前提,很容易造成误解。
不少网友看完新闻之后,最关心的一件事就是:既然科学上已经实现铅变金,再过十几年,是不是就能工厂量产黄金,金价直接大跌?咱们从成本、技术瓶颈两个角度客观算一笔账。
首先是设备投入。这台大型强子对撞机,整体建造投入超过100亿美元,每年运行、维护、耗电的费用,也是一笔巨额开支。整套装置,是全球几十个国家共同出资合作才建成的,没有任何一家企业,能够单独承担这种级别的投入。如果把全部的建设和运行成本,分摊到这29皮克黄金上面,算下来,用这套设备生产一克黄金,成本会高到一个难以想象的地步,远远超过现在市场黄金售价的上万倍。拿这种方式生产黄金,本质就是花天价成本,得到一丁点产物,完全没有任何赚钱的可能。
其次是效率问题。按照这次实验的产出效率来推算,想要依靠这套对撞机,攒出实实在在的1克黄金,需要的时间长达上万亿年。这个时间跨度,远远超过现在宇宙已经存在的年龄。就算未来设备升级,把产出效率提升几百上千倍,距离工业化量产,依旧隔着巨大鸿沟。
还有一个不能忽略的安全问题。核嬗变产生的部分金同位素带有放射性。天然开采出来的黄金,绝大多数是稳定的金197,没有放射性,可以安心做成首饰、金条。实验室里面通过原子核剥离生成的金原子核,有一部分属于不稳定同位素,自带辐射,就算未来技术进步,可以收集出来,也不能直接流通使用,还需要额外漫长的衰变、提纯工序,又会继续增加成本。
说到这里,有人会问,既然不能拿来量产黄金,那花这么大功夫做这个实验,到底有什么价值?其实这项成果的意义,不在首饰和金融市场,而在基础物理研究。
第一,它验证了核嬗变理论。很早之前物理学家就从理论上判断,只要改变原子核内部质子数量,不同元素之间可以互相转化。过去也有不少人工合成黄金的实验,但是这次在大型强子对撞机上面,依靠高精度探测器,精准统计到铅原子核在电磁作用下转化成金原子核的过程,拿到了完整的实测数据,把理论猜想,变成了精准观测结果,完善了重原子核在极端电磁场下的反应模型。
第二,帮助人类理解宇宙重元素的诞生。地球上所有黄金,并不是地球自己生成的。现在天文学主流结论认为,黄金这类重金属,大多诞生在中子星合并、超新星爆发这种极端宇宙事件当中。在那种高温、强磁场的环境,原子核之间发生各种转化,再随着陨石落到地球。这次铅转黄金实验,相当于在地球上,人为复刻了一小部分宇宙里面原子核转化的过程,科学家可以借助这些数据,反推遥远天体里面元素生成的规律,帮我们看懂宇宙元素是怎么一步步形成的。
第三,这套原子核剥离、元素转化的技术,未来还有别的落地场景。虽然用来造黄金不划算,但是这套核嬗变思路,可以用来生产一些医疗领域需要的特殊同位素。很多癌症放疗、影像检查用到的同位素药物,天然储量很低,开采很难,未来可以通过类似的原子核改造方式定向制备,提升特种医用材料的供给能力,这才是这一类高能核实验,未来最贴近普通人生活的应用方向。
聊到这里,大家就可以放下焦虑了。至少在未来几十年,咱们不用害怕黄金因为人工合成出现价格崩盘。黄金的价值,从来不是单纯取决于能不能人工制造,而是由多重因素共同支撑。
第一,天然黄金的开采本身门槛很高。金矿勘探、开采、冶炼整套流程,要投入大量人力设备,还要兼顾环保要求,每年全球新增的黄金产量是相对稳定的,供给不会突然暴增。
第二,黄金作为硬通货的共识,已经延续几千年。不管是各国央行储备、珠宝消费,还是资产避险需求,全世界已经形成统一认知。一种资产能不能保值,很大程度上看大家愿不愿意认可它的价值,这个共识,不会因为一次实验室微小突破,就立刻消失。
当然,科学一直在向前走,谁也不能打包票说,几百年之后,会不会出现一种低成本元素转化技术。但是技术从实验室的单次观测,到稳定收集产物,再到工厂规模化量产,中间要跨过好几道大关,每一关都需要几十年持续不断的研发。拿遥远的猜想,来判断当下黄金的投资价值,并不理性。
对于普通老百姓来说,这条新闻最大的价值,不是拿来判断金价涨跌,而是让我们看到,人类对物质底层规律的探索一直在往前走。古代炼金术士靠着火炉、坩埚,苦苦寻找点石成金的办法,没能成功。现代物理学家依靠粒子加速器,读懂了原子核的秘密,虽然没能批量造出黄金,却打开了一扇通往新材料、新医疗技术的大门。很多重大的科学突破,刚开始看起来都离日常生活很远,但是多年之后,往往会衍生出意想不到的实用技术,改变我们的生活。
科学探索,很多时候都不是直奔一个明确的产品而去。很多重大发明,都是在研究别的课题的时候,意外收获的副产品。这次铅变金的观测成果,就是一个典型例子。我们看待前沿科研新闻,最好不要一上来就盯着能不能赚钱、会不会改变物价,而是多看一看背后的科学逻辑,分清实验室现象和工业化产品之间巨大的差距,这样才不容易被各种博眼球的传言带偏。
今天关于铅转化黄金的实验就聊到这里。大家可以一起讨论一下,你觉得未来一百年之内,人类有没有机会实现低成本人工制造黄金?如果真的有一天黄金可以量产,它的价值会发生什么样的变化?欢迎在评论区留下你的看法,大家一起交流,感兴趣的朋友可以点个关注,后续持续分享靠谱的科普内容。
免责声明:本文内容仅为科普解读,不构成任何黄金投资建议。本次铅转黄金实验属于前沿基础物理研究,相关数据参考欧洲核子研究中心公开论文,文中对于未来技术发展的描述仅为合理推演,不代表一定会落地实现。
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