在粒子加速器的幫助下，科學(xué)家可以把那些微觀粒子加速到極高的速度，然后讓它們發(fā)生猛烈碰撞，如此一來(lái)，科學(xué)家就可以通過(guò)研究碰撞過(guò)程以及碰撞產(chǎn)生的各種“碎片”，來(lái)探索物質(zhì)最深層的秘密。

就目前的情況來(lái)看，歐洲核子研究中心（CERN）的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（Large Hadron Collider, 簡(jiǎn)稱(chēng)LHC），是世界上最大的粒子加速器，它位于日內(nèi)瓦附近地下約175米的一個(gè)環(huán)形隧道之內(nèi)，其周長(zhǎng)約為27公里。

自從2008年投入使用之后，這個(gè)巨大的粒子加速器已經(jīng)進(jìn)行了很多次的粒子對(duì)撞實(shí)驗(yàn)，并積累了海量的數(shù)據(jù)，科學(xué)家也一直在對(duì)其展開(kāi)研究。引人注目的是，一項(xiàng)近日發(fā)表在《物理評(píng)論C》的研究表明，在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)中，有一些鉛變成了黃金。你說(shuō)這神不神奇？

實(shí)際上，這個(gè)鉛變成黃金的原理并不復(fù)雜，簡(jiǎn)單來(lái)講，對(duì)于一個(gè)原子來(lái)講，其原子核內(nèi)的質(zhì)子數(shù)量可以決定它屬于哪種元素，例如原子核內(nèi)部有一個(gè)質(zhì)子，它就是1號(hào)元素氫，有兩個(gè)質(zhì)子，它就是2號(hào)元素氦。

我們?cè)谠刂芷诒碇锌梢钥吹剑S金是79號(hào)元素，鉛是82號(hào)元素，也就是說(shuō)，黃金原子核內(nèi)有79個(gè)質(zhì)子，鉛原子核內(nèi)有82個(gè)質(zhì)子，所以我們只要想辦法“拿掉”鉛原子核中的3個(gè)質(zhì)子，那么鉛就變成了黃金。

雖然這個(gè)原理很簡(jiǎn)單，但實(shí)際操作起來(lái)卻極為困難，畢竟原子核小得離譜，我們根本就不可能真的用手去“拿掉”其中的質(zhì)子，不過(guò)粒子加速器卻讓這種事變成了現(xiàn)實(shí)。

根據(jù)介紹，此次研究所用的數(shù)據(jù)，來(lái)自大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)2015年至2018年第二次運(yùn)行期間的一次粒子對(duì)撞實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)使用了由鉛原子核構(gòu)成的粒子束，通過(guò)對(duì)此次實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，研究人員發(fā)現(xiàn)，在此次對(duì)撞實(shí)驗(yàn)中，有一些鉛原子核直接轉(zhuǎn)變成了黃金原子核。

研究人員指出，這些黃金并非來(lái)自鉛原子核的正面對(duì)撞，而是來(lái)自鉛原子核彼此之間的“擦肩而過(guò)”。

具體來(lái)講就是，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，鉛原子核的速度達(dá)到了光速的99.999993%，當(dāng)兩個(gè)攜帶大量正電荷（每個(gè)鉛核帶82個(gè)正電荷）的原子核以如此高的速度近距離掠過(guò)時(shí)，它們周?chē)碾姶艌?chǎng)會(huì)因?yàn)橄鄬?duì)論效應(yīng)而發(fā)生極度的畸變和壓縮，進(jìn)而形成一種強(qiáng)度很高的、橫向于原子核運(yùn)動(dòng)方向的電磁脈沖。

這種電磁脈沖會(huì)讓近距離掠過(guò)的鉛原子核彼此之間發(fā)生相互作用，進(jìn)而可能會(huì)將原子核里一部分的質(zhì)子給“踢”出來(lái)，如此一來(lái)，鉛就轉(zhuǎn)變成了其他的元素，其中就包括了黃金。

不得不說(shuō)，這堪稱(chēng)是真實(shí)版的“煉金術(shù)”。那么，我們能不能利用這個(gè)大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)來(lái)大量制造黃金呢？很遺憾，答案是否定的。

首先來(lái)講，這種方法制造出的黃金原子核，很多都是不穩(wěn)定同位素，實(shí)際上，此次對(duì)撞實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生得最多的就是Au-203（由鉛-208失去了3個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子后產(chǎn)生，如上圖所示），而這種同位素是不穩(wěn)定的，其半衰期只有60秒，這就意味著，它們存在不了多久就會(huì)衰變成其他元素（最終產(chǎn)物是鉈-203，這是一種穩(wěn)定同位素）。

更重要的是，它的產(chǎn)量實(shí)在是太少了。研究表明，在此次粒子對(duì)撞實(shí)驗(yàn)中，生成黃金原子核的峰值約為每秒8.9萬(wàn)個(gè)，共計(jì)生成了大約860億個(gè)，這個(gè)數(shù)量看上去很多，但別忘了，原子核的質(zhì)量其實(shí)是非常小的，實(shí)際上，這么多的黃金原子核的總質(zhì)量只有大約29皮克，而1克就是1萬(wàn)億皮克……

由此可見(jiàn)，就算我們能夠解決不穩(wěn)定同位素的問(wèn)題，通過(guò)這種方法來(lái)制造黃金依然是不可行的，畢竟每一次粒子對(duì)撞實(shí)驗(yàn)，都有大量的資源消耗，其價(jià)值根本就不是這一丁點(diǎn)的黃金所能比擬的。

所以研究人員認(rèn)為，此次研究的意義在于，它加深了我們對(duì)原子核結(jié)構(gòu)、核反應(yīng)以及高強(qiáng)度電磁場(chǎng)如何影響物質(zhì)的理解，是基礎(chǔ)科學(xué)研究在微觀世界探索中取得的一個(gè)重要進(jìn)展。

參考資料：Proton emission in ultraperipheral Pb-Pb collisions，Phys. Rev. C 111, 054906 – Published 7 May, 2025