2020年8月1日，首都科学讲堂线上开讲，本次首都科学讲堂邀请了北京大学物理学院教授、欧洲科学院外籍院士、九三学社社员孟杰，为大家带来主题为《宇宙中的“炼金术”》的精彩讲座。

　　宇宙中的“炼金术”

　　“点石成金”曾是古人的梦想，目前已被今人通过“核反应”实现。7月28日，国际热核聚变实验堆计划重大工程安装启动仪式在法国举行，国家主席习近平致贺信。核聚变和人类发展有怎样的联系？其实，粒子物理与原子核物理不但能为人类解答天体演化、物质结构和生命起源等基本科学问题提供有效途径，与我们的日常生活也密切相关。

　　第一讲 黄金为什么比铁贵

　　大家普遍关心的一个问题是黄金为什么比铁贵。回答这个问题并不难，因为有一句俗话说得好——“物以稀为贵”。在这张宇宙中的各种元素丰度分布的图上，可以一目了然地看出，铁比黄金的含量大概高了6-7个量级。我们在市场上买铁的时候，用的单位是“吨”；买黄金的时候，用到的单位是“克”，这中间刚好差6个量级。这6个量级基本上就是黄金为什么比铁贵的原因。但是回答“黄金为什么比铁稀少”这个问题就比较难了，因为这涉及到元素从何而来这一基本科学问题。古往今来，“点石成金”是很多人的梦想。古代曾有一门学科叫“炼金术”，有几千年的悠久历史。它的主要目的是把“贱金属”变成“贵金属”，特别是炼出黄金。从地域角度来看，所有文明古国几乎或多或少都涉及“炼金”这个科学活动，科学家牛顿也是一位为“炼金术理论”做出杰出贡献的“炼金术士”。不过，我个人认为最成功的“炼金术士”可能是德国的贝特格。1708年的一个寒冷冬天，他在德国使用“炼金术”成功烧制出一种白而透明的瓷，这就是后来德国宝贵的文化遗产“Meissen梅森”瓷器。在那个时代，中国陶瓷在欧洲非常受欢迎，陶瓷价格也非常高。所以当时能够制造出陶瓷来，实际上是一个很大的成功。至今，在德国的德累斯顿，这座漂亮城市的街头还有贝特格的纪念碑。到了现代，人类逐渐认识到“点石成金”的问题，其实是一个与合成原子核有关的科学研究。《发现》杂志曾列出物理学十一大待解之谜，其中一个谜就类似于“点石成金”——“从铁到铀的重元素是怎么合成的”。

　　实际上，今天我们已经发现了关键的机制：通过轻的元素不断地俘获中子，然后发生衰变，再变成新的、稳定的原子核，就能实现“点石成金”的过程。要在宇宙中实现这个过程，需要获得两方面的支持。一方面，我们要知道，这个反应会在宇宙的什么地方发生。另一方面，除了要知道发生这种过程的天文环境之外，还需要一些核物理的知识。2017年，双中子星并合的引力波的探测，提供了快中子俘获合成重元素的一个关键场所。这些快中子俘获过程中涉及到的原子核绝大多数都是不稳定的，特别是通过实验非常难以合成的，所以理论研究和实验研究同样重要。实际上，重元素或黄金是怎么合成的，与宇宙演化也密切相关。大家知道，大爆炸伊始，宇宙处于能量极高的一个奇点。随温度不断冷却，物质开始出现，大概三分钟之后，就开始有质子、中子、轻元素这些物质。大概几十亿年之后，就开始出现重元素等物质，以至于最后生命的诞生等。所以，了解“黄金从哪来”，或者了解“金为什么比铁贵”，也有助于我们了解宇宙发展演化的历史。

　　第二讲 核物理的特殊地位

　　大家知道，我们能看见的一切物质都是由原子、分子组成的。原子的大小大概是10-10米。原子核的大小大致是10-15米，也就是说原子核要比原子小5个量级。这是什么概念？假设把原子放大成100米的一栋大楼，那么原子核的大小只有1毫米，所以原子核实际上是在原子的中心、非常小的一个空间内。但是很奇特的是，虽然它那么小，但是原子的质量，99.95%以上都集中在原子核。而且原子核又是由质子和中子所组成的，质子和中子的大小基本上和原子核差不多。你会发现质子和中子在原子核内部的运动，相互之间几乎没有影响，这是非常神奇的一件事情。如果像玩积木一样，把不同数目的质子和中子组合在一起，如果组合的原子核是稳定的，那么就得到了一个稳定的原子核。

　　到今天为止，我们能看到的周围丰富多彩的世界，实际上就是由不到300种原子核所组成的。300种原子核归属于不到100种元素，每种元素可能有几种同位素，所以我们看见的世界由不到300种原子核所组成。实验物理学家在实验室里面通过核反应等手段，到目前为止大概可合成3000种左右的原子核。理论物理学家通过各种各样的，关于核物理建立的理论知识和体系，预言能有上万种原子核。

　　核物理学家具体是做什么的？核物理学家就是研究所有这些原子核的结构、反应、衰变，以及产生的根源的，他们可以回答黄金为什么比铁贵的问题，因为核物理学家可以知道它们是怎么来的。实际上核物理这门学科的重要性还可以体现在科学的基本问题上。

　　大家知道，科学的基本问题无外乎三个大问题，一是天体演化，二是物质结构，三是生命起源。很有意思的是，这三个基本问题，都和核物理密切相关。Nuclear science如果直译过来叫“核科学”。但在英文里面，Nuclear science实际上包含了核科学与核技术两层含义。在中文的含义里，科学是研究基本问题，技术是要解决实际中的问题，实际上Nuclear science是把这两个含义结合在一起。

　　核科学可以带来无限广阔的应用，比如说提到核的放射性的时候，有的人会很害怕，其实我们的生活离不开放射性。比如医院里的X光或PET-CT，这些强有力的辅助治疗工具都离不开核物理。甚至在癌症治疗领域，也可以通过重离子治癌的方法，用原子核的束流改变癌细胞。除此之外，当然最重要的核科学应用就是能源，其次在农业、工业，如产品检测、植 物的改性等方面，也都应用广泛，所以说，在今天，核科学和我们的生活已经 密不可分了。

　　如果我们把轻的原子核结合成重的原子核，就会释放出能量，释放出能量后，我们就可以把这些能量利用起来。太阳每天干的事情就是燃烧氢生成氦，并且释放出能量。我们每天能够吸收到的能量只是太阳很小的一部分。我们生活的地球如此绚烂多彩，所需要的能源都来自于太阳。核电站利用的物理原理是把重核打碎，变成比较轻的原子核。由于重核的每核子平均结合能不大，所以它变成中等质量核的时候，同样放出能量。在世界上第一次建成反应堆的时候，当时参与实验的科学家都在惊叹，这是人类历史上第一次使用非太阳能的能源。

　　除此之外，还有一个很有意思的问题是人体内部的元素丰度分布。如果把人体内的元素丰度分布这个图画出来很有意思，人体元素丰度分布峰值实际很大程度上是由核物理来决定的。更神奇的事情还有，如果把人体的元素丰度分布和自然界的元素丰度分布画在一个图上，你会发现，除了细微差别之外，总的来说，它们的峰值基本上一样，这就是流行语“人就是宇宙中的一粒尘埃”的科学起源。

　　第三讲 现代科学创新之路

　　现代科学的创新之路上，应该怎么闯出自己的一条路？牛顿曾说，“如果我比别人看得更远些，那是因为我站在巨人的肩上。”很多人可能觉得牛顿非常谦虚。但是我觉得，这句话说出了科学创新的基本规律和科学研究的方法是什么：首先，要找到一个“巨人”；其次，要能够站在“巨人”的肩上，才能比别人看得更远一些。

　　在物理学的发展中，有两个影响非常大的学派，一个是著名的哥本哈根学派，它催生了一大批物理学诺贝尔奖获得者，它的领导人是尼尔斯·玻尔。在那个时代，世界各国著名的科学家基本上都到哥本哈根访问过。尼尔斯·玻尔最典型的风格是，谁去访问他，他第一句话都是说，你来了太好了，我们即将从你那学到很多东西。你走的时候他会说，你来了很好，我们从你那学到了很多东西。然后你作一个报告，即使这报告作得不好，尼尔斯·玻尔也会说“你这个报告很有意思”。即使尼尔斯·玻尔不同意你的观点，他也会和你推敲每一个想法。他非常重视批判精神的培养，也非常尊重独立思考和批判性思维能力。

　　与他风格迥异的就是著名的朗道学派。领导人列夫·朗道培养学生的风格和尼尔斯·玻尔截然不同。朗道接待客人，他的欢迎词可能是你来干什么，你能教我们什么东西。他对待学生的要求也非常高，每个学生来都要开门见山地告诉他，你的贡献是什么，你的想法是什么，然后他重视创新思维的发现，要求每一篇论文必须要解决问题。

　　这是两个学派之间不同的风格，对我们今天重视创新，走出自己的一条路来，有一定的启发性。另外，在科学创新的道路上，实验方面也有四个字总结：“精工利器”——有最好的设备，做好充分的准备，才能够有大的发现。著名的发现之一就是X射线。德国科学家伦琴在一个偶然的机会，发现了X射线。在当时19世纪末期的欧洲引起了很大的反响，整个欧洲开始研究放射线性质。如果研究一下元素的合成，就会发现我刚才给大家介绍的精工利器在科学发现里面的重要性。

　　人类到目前为止已经合成了118种元素。在1898年贝克勒尔发现α射线之后，卢瑟福很快就把α射线作为一个强有力的武器，开始他探索微观世界的道路。所以，他用α射线发现了原子的内部是空的，在一个空空的原子里面有一个原子核的存在，这是他重要的发现。他还发现原子核里面有质子，他的学生利用α射线发现原子核里面还有中子，解决了原子核的组成问题，所以当时能够掌握α射线这个有力的工具，是非常重要的一个武器。

　　在此之后，人类开始用自己发明的工具来研究原子核，这个主要的功劳应归功于劳伦斯。1932年，劳伦斯发明了加速器，为研究微观世界提供了有力的工具。为此，劳伦斯的名字被用来命名103号元素。其次，美国有两个国家实验室，一个叫劳伦斯伯克利国家实验室，一个叫劳伦斯利弗莫尔国家实验室，都是用他的名字来命名的。

　　1940年以后，美国科学家西博格领导研究团队，利用劳伦斯这个回旋加速器先后发现了9个元素，为此获得了1951年的诺贝尔化学奖。在我国，新中国建立之后，1957年中国研制成功能量为2.5兆电子伏特的质子加速器。1958年建成了第一台回旋加速器，同年6月10日，中国第一台回旋加速器第一次得到了质子束并且第一次打到内靶上。

　　苏联在元素合成方面也有非常大的贡献。苏联的原子弹之父Flyorov，他的名字被用来命名114号元素。他的学生，俄罗斯著名科学家Oganessian，如今80多岁了，他的名字被用来命名118号元素，也是目前唯一一位“活着的”元素。

　　除此之外，日本在超重元素合成方面的成果，也值得我们借鉴。发现113号元素的日本科学家森田浩介，几十年如一日地从事新元素研究。长达十年左右，他都没有取得什么重要的成果。他使用探测器，耐心地把前人合成107到112号元素的每一个反应都重复了。重复了以后，如果再往前走一步，就是牛顿说的，“站在巨人的肩膀上”，只要他能够看得远一点，就有重要的、新的发现。所以这个时候，如果谁合成113号元素，谁就能合成新的元素。德国科学家大概坚持了一个多月的实验，最后放弃了。然后，这位日本科学家坚持了七个多月，最后找到了三个原子核，发现了113号元素。2016年，国际纯粹与应用化学联合会宣布日本取得113号元素的命名权，并且用日本的名字“Nihon“命名。所以从元素合成的科学史来看， 科学研究需要先进的“精工利器“，需要有大胆的创新，但是，只要你有踏实、勤奋、努力的精神，一步一步前进，也可以有很大的收获。

　　所以，从元素合成的科学史来看，科学研究需要先进的“精工利器”，需要大胆地创新。另外，只要有踏实、勤奋、努力的精神，一步一步前进，也可以有很大的收获。

　　第四讲 核物理的国际竞争

　　黑色的是自然界存在的原子核，其他颜色是实验室已经合成的原子核，大部分的区域为粉色，是理论预言存在但还有待实验验证的原子核，占原子核总数的70%。未来核物理竞争的一个主要方面就是探索这70%领域的，目前尚不知道的原子核。

　　在核物理学家之前的认知里，核子之间的相互作用和水分子相似，所以原子核很多时候被科学家当成液滴。把原子核看成液滴，原子核体积不变，不可压缩。但实验物理学家在探索70%未知的原子核的时候，发现一个非常奇特的现象，比如说像锂11这样的原子核，它的体积居然与有200个核子的铅原子核的体积差不多，颠覆了我们对原子核性质的原有认识。当然，现在进一步发现，这样的原子核和我们过去想象的液滴不一样，它可能有一个比较稳定的核心，核外的核子像在雾天看月亮的时候有月晕一样，在原子核的外部也有一个核子晕存在，所以这样的原子核也叫晕核。它的特征是我们目前正在研究的一些远离稳定线的，不稳定原子核的一些特征。

　　除了实验上发现这些晕现象之外，在理论上还可以发现它还有各种各样不同的晕，也许这个晕核和核有很大的区别。除此之外，我们要想了解重元素，特别像黄金是从哪来的，要了解这些过程实际上也需要一系列的核反应，通过在实验室里面来再现今天我们看见这个世界所经历的一些核反应的过程，这样才能更好地认识和了解自然。所以为了解决这些问题，世界各个主要的发达国家都在运行、建造、升级现有的加速器设施。特别是像德国的重离子物理研究所，有到目前为止投入最大的一个加速器设施，它总投资大概是17亿欧元，接近20亿美元。日本的理化学研究所里，也运行着世界上目前最先进的稀有同位素的加速器设施。我国在兰州的中国科学院近代物理研究所，北京的中国原子能科学研究院，及在惠州正在新建的强流重离子加速器设施，也都正在或者即将进行不稳定原子核的研究。

　　为什么这些国家要投入巨资建造大科学装置？实际上，这些大科学装置都是一个大型的科学平台。利用这些科学平台，我们可以从宏观到微观，从实验到理论，研究不同层次的物理和不同层次的科学。从核物理理论的角度，我们团队提供了新一代的加速器建成之后可以合成的原子核“名单”。这些数据非常重要，因为如果在核素图上看，你会发现实验上能够合成的原子核和宇宙中核合成涉及的原子核相比，还是有很大差距的，所以理论研究正好弥补了这些不足。我们通过系统地给出这些所有的原子核的质量等这些基本的性质，可以理解、回答宇宙中的元素是怎么来的。同时根据今天自然界的元素丰度的分布，还可以校准宇宙的时钟，回答截至今天“宇宙的年龄大概有多大”这样的问题。我们也研究一些更微观、更复杂的一些过程，比如说基本粒子的特性，原子核衰变的时候从一个原子核变到另外一个原子核，它为什么有的时候释放出中微子，有的时候没有释放出中微子等问题。还有一个重要的特性就是，原子核的手性。大家知道手有手性，我们无论通过平移或转动，左手和右手都不能重合在一起。如果到海边去买海螺壳，左旋的海螺要比右旋的贵10倍。在核物理这么一个层次，会不会有这样手性的原子核？这就是我们发现的一个工作，也是非常有意思的一件事情。

　　一个偶然的机会，1997年时，我们发现了原子核的手征对称性的破缺。四年之后，原子核的手征对称性破缺理论就被实验所证实。2006年的时候，我们又证实了原子核的多重手征对称性的破缺。原子核其实就像一个人一样，人的手有手性，耳朵也有手性，甚至眼睛、眉毛都有手性，所以原子核的手性也应有它的多重性。2006年开始，每两年我们都发表一篇文章，从不同的角度阐述这个理论的正确性。同时我们还积极推动实验去验证，但实际上我们等了八年，八年之后才有一个美国为主的科学家团队”。这个工作的合作者里面还有印度等国。他们在实验上证实了多重手征对称性破缺存在的证据，和我们合作把这个工作完成了。你会发现，在科学研究的道路上常常是这样，只要有第一个人证明这个事情是正确的，那么越来越多的工作就会反复不断地证明它，这也是判断一个工作——“预言”正确与否的最好的标志。特别是中国的科学家，除了发现原子核手性之外，同时还发现它可以有反射对称性的联立破缺，这是非常基本的、微观的一个研究，但是它也是中国核物理领域第一篇刊登在美国《物理评论快报》上的封面文章，它也入选了中国高校的十大科技进展。

　　最后，我要告诉同学们两句话，其中一句话是“横比同龄青年”——同龄人都在一起共同成长，在这个过程中互相学习彼此的长处是自己成长最好的阶梯。如果大家觉得学习得比较成功，在同龄人之中把同龄人的优点都学到手了以后，再回到历史中去，找历史上的一些主要的，领域内的巨人——“纵比牛人当年”，看看“巨人”在你这个年龄段都在干些什么。