元素从哪里来？
Neil deGrasse Tyson，James Trefil｜ 撰文
在恒星生命的晚期，核心处的氢消耗殆尽，恒星开始收缩，暂时屈服于难以阻挡的引力。随着收缩过程的进行，恒星核心的温度不断升高，直至足以使 3 个氦原子核聚变形成 1 个碳原子核（含 6 个质子），新的核聚变启动。之后，上一次核聚变的产物将作为下一次核聚变的燃料，生成新的元素。就这样，恒星的熔炉中锻就了年轻宇宙中没有的重元素。
通过太阳风，太阳可以把一些重元素抛到太空中去。但像太阳这样的恒星质量还不够大，不足以通过核聚变形成比碳更重的元素。质量更大一些的恒星可以通过核聚变合成比碳更重的元素，铁（含 26 个质子）是恒星核聚变的终极产物，合成铁也是恒星核聚变的最后一步。铁聚集在恒星的核心，当恒星开始尝试融合铁原子核时，将面临一个很糟糕的情况，那就是铁原子核的聚变需要吸收能量——恒星可不擅长吸收能量。
由于没有新的能量来源去平衡引力，恒星在引力的作用下会迅速坍缩。坍缩引起一场巨大的爆炸，我们称之为超新星爆发。爆炸释放出的巨大能量为进一步的核聚变提供了条件，形成了铁之后一直到铀（含 92 个质子）的所有元素。
在元素周期表中，铀是自然形成的元素中最重的一种。铀后面的那些元素（即超铀元素，亦称铀后元素），一直到第 118 号元素［以俄罗斯物理学家尤里·奥加涅相（Yuri Oganessian）的名字命名］为止，都只能存在于实验室中。怎样才能制造出这些超铀元素呢？方法是将重原子核加速，使其高速撞击目标粒子，随后质子与中子将重新组合，从而可能形成一些新元素的原子。例如，在写下这段文字时，我们只在实验室中制造出了 75 个鎶元素（第 112 号元素，以波兰天文学家哥白尼的名字命名）的原子。在核物理界，制造更大质量的超重元素仍然是科学家热衷的一项“作坊式小工业”。
约翰·道尔顿（John Dalton）是一位英国教师，他最开始的爱好是气象学，研究大气中化学反应是这门学科的内容之一。他于 1808 年提出了现代原子理论。
在希腊语中，atom（原子）这个单词表示“不能再分割的物质”，道尔顿同样认为原子不可分割。他提出，每一种化学元素都有对应种类的原子，相同元素的原子完全相同，不同元素的原子互不相同。在这种理论下，不同的原子组合起来就可以形成各种各样的物质，组成自然和非自然的世界。这也解释了为什么绝大多数物质都可以被分解，因为这只是原子分离的问题。道尔顿认为，到了原子层面，物质就不能再被拆分了。
道尔顿的模型解释了物质的许多以前无法解释的特征，这些特征是恒定的、可预测的并且可被认知的。以水为例，无论哪里的水分子，都由 1 个氧原子与 2 个氢原子组合而成。1 个氧原子的质量是 2 个氢原子质量之和的 8 倍，所以两种原子间 8 : 1 的质量比就是水中原子组合的一个简单特征。
俄国化学家门捷列夫，他所知道的化学元素种类有63种，现在这一数字是118种，并可能继续增加。图源：https://pixel17.com, CC BY-SA 2.0 , via Wikimedia Commons
随着时间的推移，科学家又发现了多种化学元素。19 世纪的俄国化学家门捷列夫在编写教科书时，遇到了如何排列已知化学元素的难题。后来门捷列夫创造了现代的元素周期表来解决这个问题，元素周期表现在仍然是化学课堂的标配。在元素周期表的每行，元素从左到右逐渐变重，而同一列元素则有类似的化学性质。在最初的表格里，门捷列夫留了一些空白，他希望随着新元素的不断发现，这些空白会被填满。而后来的发现也证实了他的想法。科学家们虽然知道元素周期表是一种有效的排列方式，但不知道它为什么有效。直到 19 世纪 20 年代，随着量子物理学的发展，人们才对这张表格有了更深刻的认识。
到 19 世纪后期时，科学家揭示了一个相对简洁的世界。原子不可分且种类不多，不同的原子进行不同的组合，构成了我们用眼睛能感知的世界。如果用图书馆来比喻世界，那么书本就是复杂的物质，原子是书本中的文字。
这种简洁性在 1897 年开始被破坏。英国物理学家约瑟夫·约翰·汤姆孙（Joseph John Thomson）通过实验发现了完全在意料之外的粒子——电子，这种带负电的物质成分能够很容易地从原子中脱离出来。问题在于，在道尔顿的原子理论中，原子是不可分割的，没有办法容纳电子。对于汤姆孙的实验结果，理论学家只能暂时将原子想象成一种类似葡萄干面包的事物，电子镶嵌在一种形状不定、带正电的物质中。
和道尔顿的想象不同，真实的原子是动态并且难以捉摸的，正如图中原子核及其核外电子所展示的那样。
1911 年，新西兰物理学家欧内斯特·卢瑟福（Ernest Rutherford）公布的实验结果彻底终结了道尔顿的原子理论，造就了我们现在对原子的理解。卢瑟福用一束带正电的 α 粒子作为子弹，去轰击一片非常薄的金箔，然后观察粒子的散射情况。
之所以选择金来做实验，是因为这种材料有极高的延展性，可以做得非常薄，实验中用到的金箔只有几千个原子那么厚。如果原子像葡萄干面包那样，那么实验中像子弹一样的粒子束就会轻松穿过，除了有电子的地方可能会产生一点偏转。
卢瑟福在实验中发现，大部分粒子确实轻松穿了过去，也有一部分偏转了一点角度，但有大约 1/1 000 的粒子被弹了回来！就像你射击云团时，竟然发现有子弹被弹回身边，你会怎么想？你应该会猜想云团中隐藏着一种比子弹还硬的东西。
图中展示的是卢瑟福散射实验。他用粒子轰击金箔，并观察粒子如何散射。结果显示，原子自身的大部分区域都是空的，绝大部分质量都集中在原子核中。
同样，只有当原子的质量集中在中心的一个小区域时，卢瑟福出人意料的实验结果才能得到解释。卢瑟福把原子中心质量集中的结构称为原子核，电子绕着原子核运动。粒子被反弹是因为正好撞到了原子核，而其他粒子只是从空旷的电子轨道中穿过。
卢瑟福将氢原子核称为 proton（质子），这一单词来源于希腊文中的 protos（第一）。但我们知道，其他较重的原子核的质量超过其所含质子的质量。比如氧原子核中有 8 个质子，但它的质量却是氢原子核的 16 倍。卢瑟福预言了另一种粒子的存在，它的质量和质子相同，但不带电，他称这种粒子为中子。1932 年，英国物理学家詹姆斯·查德威克（James Chadwick）发现了卢瑟福预言的中子。
我们再一次实现了对复杂事物的简化。宇宙是由质子、中子、电子这 3 种粒子构成的：质子和中子组成原子核，原子核与围绕其运动的电子组成了原子，原子再结合形成不同的宏观物质。
但这种简单性也不会持续太久，还有更深的物质层潜伏在我们的视线之外。
质子 - 中子 - 电子这一简单的宇宙图景，被一些“从天而降”的物质破坏了。地球经常被宇宙线粒子轰击，它们中的绝大多数是质子。这些宇宙线粒子的能量很高，足以撕裂地球大气中原子的原子核。通过检测这些碰撞产生的碎片，我们打开了一扇通往原子核内部世界的大门。
从 20 世纪初以来，通过检测粒子碰撞产生的碎片来研究原子核一直是物理学家的重要方法。美国物理学家理查德·费曼（RichardFeynman）把这种方法比作从帝国大厦上扔下一块手表，然后通过查看手表碎片来研究手表是怎么工作的。这种方法听起来很笨拙、很不精确，但你实在没有其他办法去查看手表的内部情况。
20 世纪 30 年代，物理学家设计了一种利用宇宙线的方法来实现这个目的。他们在科罗拉多州派克峰等山峰的山顶实验室里放置探测器，拦截入射的宇宙线并追踪后续反应。实验反而带来了更多的疑惑。
宇宙线实验中出现了意料之外的事物。首先是发现了一种质量和电子相同但带正电的粒子，这是反物质的第一个案例，被恰如其分地命名为正电子。之后又发现了一种很多属性像电子但质量是电子大约200 倍的粒子，而且它们存在的时间比应该存在的时间长了很多。它们的半衰期只有 2.2 微秒，按理说不可能有足够的时间到达地球表面，但科学家却在地面附近探测到了大量该种粒子。这种意料之外的粒子被命名为μ子，美国物理学家伊西多·艾萨克·拉比打趣道 ：“谁下令的？”
粒子的名单越来越长。质子比电子重了 1 800 多倍，而研究人员发现了一个新的粒子分支，它们的质量介于质子和电子之间，因此被称为介子，其英文单词 mesons 源自希腊语 mesos，表示“中间”。他们还发现了比质子更重的粒子，称之为超子。
物理学家建造了能实现可控碰撞的粒子加速器之后，不再依赖于来自太空的随机伽马射线脉冲。粒子的名单变得更长了。大多数新粒子存在的时间都非常短，以至于它们在衰变前都几乎无法从原子核的一边跑到另一边。显然，原子核并不是科学家们曾经设想的只标有质子和中子标签的成袋的弹珠，反倒像是一口包含无数短命粒子的沸腾大锅。
物理学家打开了一个全新的神秘世界。这是宇宙的另一层结构。
为了研究原子核内部，我们需要非常高速的粒子去轰碎它们，也需要非常高精度的手段去分析撞击产生的残骸。宇宙线可以免费试用，但它最大的缺点就是不可控，不管是撞击的能量还是到达的时间。粒子加速器赋予了我们自由控制实验条件的能力。
20 世纪 30 年代，加利福尼亚大学伯克利分校的欧内斯特·劳伦斯（ErnestLawrence）制造了第一台粒子加速器——回旋加速器（cyclotron），它开启了加速器的历史。
劳伦斯的第一台回旋加速器制造于1931 年，直径不到12厘米。
25美元，这是劳伦斯在伯克利制造的第一台回旋加速器的成本，大约相当于现在的450 美元。
回旋加速器这样的粒子加速器依赖于基本粒子的一个关键特性 ：将一个带电粒子射入磁场，粒子的运动轨迹就会发生弯曲，最终形成一个圆。劳伦斯意识到，如果把一块磁铁从中间切开，在两块磁铁之间留一条窄的间隙，带正电的质子在通过间隙时，受磁力影响被加速，这样可以形成一束用于轰击目标的质子。劳伦斯的第一台回旋加速器可以放在手掌中，而到了 20 世纪 50 年代，伯克利的同步回旋加速器已经有运动场那么大了。
1946 年，劳伦斯和斯坦利·利文斯顿（Stanley Livingston）在校正一台新设计的同步回旋加速器（synchrocyclotron），这台设备很大，以至于只能在伯克利的校园里专门建一栋建筑来安放它。
下一代粒子加速器是同步加速器。同步加速器中用的不再是单个的大磁铁，取而代之的是由一系列弯曲的磁铁组成的环形结构，环的周长以千米计。粒子沿着一条真空路径加速，磁铁的磁场强度可以随之实时调整，以将快速运动粒子保持在真空管道中。
位于瑞士日内瓦附近的大型强子对撞机是现在世界上最大的同步加速器。其名称中的强子指的是可能在原子核中找到的任何粒子。该加速器的环形真空管道长约 27 千米，为防止生活在附近的居民受到辐射伤害，它被建在了地下。
大型强子对撞机包含两个同步加速器，一个加速器中质子束做顺时针运动，另外一个加速器中质子束做逆时针运动。这两束质子会在加速器中的特定位置发生碰撞，使得正碰时可用的动能翻倍。在这些碰撞产生的“粒子喷雾”中，怀揣对宇宙物质结构永恒追求的物理学家揭示了宇宙物质的下一层结构。
本文摘自《天文终极之问》，[美]尼尔·德格拉斯·泰森(Neil deGrasse Tyson) [美]詹姆斯·特赖菲尔(James Trefil) 著，符磊、胡方浩、王科超 译，江苏凤凰科学技术出版社2023年7月出版，《赛先生》获授权发布。
《天文终极之问》
[美]尼尔·德格拉斯·泰森
[美]詹姆斯·特赖菲尔 著
符磊 胡方浩 王科超 译
江苏凤凰科学技术出版社
2023年7月出版
本书已在赛先生书店上架，欢迎点击图片购买。
我们是谁？我们从何而来？我们终将去往何处？在这本开创性的著作中，世界著名天体物理学家尼尔·德格拉斯·泰森联合杰出物理学家詹姆斯·特赖菲尔，以他们对前沿科学的深刻理解和高超的叙事智慧，生动解答了困扰人们数千年的终极问题。
全书以宇宙如何诞生、宇宙由什么构成、我们在宇宙中是否孤独等十大问题为引领，指引我们认识宇宙的过去和未来、探索世界的极小与极大，俯瞰知识的前沿，漫游广袤的未知。从宇宙大爆炸、生命起源、黑洞、暗物质、反物质、暗能量，到弦理论、平行宇宙、量子宇宙、地外生命，读者对星空的诸多好奇都能在这里找到答案。
微信扫码关注该文公众号作者