近日，歐洲核子研究中心（CERN）的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）剛剛實(shí)現(xiàn)了一項(xiàng)令人震驚的壯舉：將鉛轉(zhuǎn)化為黃金！這一「點(diǎn)石成金」的過(guò)程雖然僅持續(xù)約一微秒，且成本高昂，卻讓17世紀(jì)煉金術(shù)士的夢(mèng)想在現(xiàn)代物理學(xué)中成真。

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「點(diǎn)鉛成金」

就在剛剛，物理學(xué)家們將十七世紀(jì)煉金術(shù)士的夢(mèng)想變成了現(xiàn)實(shí)！

LHC實(shí)驗(yàn)不會(huì)產(chǎn)生大量的金塊——但鉛離子束中的某些粒子可以在大約一微秒內(nèi)轉(zhuǎn)化為黃金

• 好消息是，他們用大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）成功地把鉛變成了黃金。

• 壞消息是，整個(gè)過(guò)程只有短短一瞬間，而且成本高的嚇人。

這次神奇的「點(diǎn)石成金」術(shù)，發(fā)生在瑞士日內(nèi)瓦附近的歐洲核子研究中心（CERN）。

在耗資數(shù)十億美元建成的LHC中，鉛離子發(fā)生了猛烈的對(duì)撞。

CERN的ALICE探測(cè)器

很久之前，化學(xué)家們就一直夢(mèng)想著能把廉價(jià)的鉛轉(zhuǎn)化成昂貴的黃金。

但由于鉛的質(zhì)子數(shù)是82，而金的質(zhì)子數(shù)是79。這種數(shù)量上的差異靠化學(xué)方法完全沒(méi)戲。

然而，CERN的研究人員現(xiàn)在卻做到了！

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，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)，它們周圍的電磁場(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。

該團(tuán)隊(duì)5月7日發(fā)表在頂刊《物理評(píng)論》上的分析中計(jì)算出，2015到2018年間，LHC的碰撞共產(chǎn)生了860億個(gè)金原子核——大約29萬(wàn)億分之一克。

論文地址：

https://journals.aps.org/prc/abstract/10.1103/PhysRevC.111.054906

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只存在了約1微秒

這些極不穩(wěn)定、飛速運(yùn)動(dòng)的金原子大多只存在了約1微秒，之后便撞到了實(shí)驗(yàn)設(shè)備或分解成了其他粒子。

ZP和ZN中EMD事件發(fā)射高達(dá)七到八個(gè)中子的能量之間的相關(guān)性：ZPC與ZNC（左）和ZPA與ZNA（右）

每當(dāng)LHC中的鉛離子相撞時(shí)，都會(huì)產(chǎn)生黃金，但目前只有ALICE實(shí)驗(yàn)的探測(cè)器能捕捉到這個(gè)過(guò)程。

測(cè)量（圓圈）和通過(guò) RELDIS（實(shí)線直方圖）計(jì)算的給定數(shù)量中子i伴隨單個(gè)質(zhì)子在208Pb核的UPCs中的發(fā)射截面

ALICE團(tuán)隊(duì)的物理學(xué)家Uliana Dmitrieva說(shuō)，這項(xiàng)分析是「首次通過(guò)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)地探測(cè)和分析LHC中黃金的產(chǎn)生」。

紐約石溪大學(xué)的物理學(xué)家Jiangyong Jia提到，CERN的另一個(gè)加速器SPS早在2002到2004年就觀察到了鉛轉(zhuǎn)變成金的現(xiàn)象。

但這次最新的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰扛撸a(chǎn)生黃金的概率更大，而且觀察到的結(jié)果也更加的清晰。

雖然成功實(shí)現(xiàn)了「點(diǎn)鉛成金」術(shù)，但是CERN的研究人員沒(méi)有計(jì)劃將煉金術(shù)作為副業(yè)。

他們表示，該實(shí)驗(yàn)是為了更好地理解光子如何改變?cè)雍耍@將有助于提升LHC（大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)）的性能。「理解此類過(guò)程對(duì)于控制束流質(zhì)量和穩(wěn)定性至關(guān)重要」，Jiangyong Jia說(shuō)。

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雪崩的價(jià)格？

不過(guò)，看堅(jiān)挺的金價(jià)就能明白，人類現(xiàn)在根本沒(méi)有低成本人造黃金的方法，不然金價(jià)也不可能漲到今天這樣。鉆石就是最好的例子，這種璀璨的寶石曾被冠以“鉆石恒久遠(yuǎn)，一顆永流傳”的宣傳標(biāo)語(yǔ)，被視為昂貴的寶石。但到今天，如果你拿著一枚鉆戒找到珠寶商回收，在他們看來(lái)鉆石本身的價(jià)值可能還不如作為底座的戒指本身高。盡管鉆石的璀璨不減當(dāng)年，但只要我們掌握了低成本生產(chǎn)鉆石的方法，它的價(jià)格自然就會(huì)回落到珠寶商不愿回收的程度。

目前人工培育鉆石有兩種技術(shù)路徑，一種是高溫高壓法（HPHT），即通過(guò)六面頂壓機(jī)在 1300-1600 攝氏度、60 億帕以上的高溫高壓環(huán)境下，以石墨為原材料，在催化劑的作用下將石墨轉(zhuǎn)化成鉆石原石。另一種是微波等離子化學(xué)氣相沉積法（MPCVD），簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是在充滿氫氣和含碳?xì)怏w（例如甲烷）的真空室內(nèi)，能量源（通常是微波束）分解氣體分子，碳原子向較冷、平坦的鉆石種子板擴(kuò)散、結(jié)晶，從而讓金剛石晶體不斷生長(zhǎng)。

在河南，各類鉆石生產(chǎn)企業(yè)用不同的方式生產(chǎn)鉆石，讓河南成為了全世界最主要的鉆石產(chǎn)地之一。這些鉆石有的供給珠寶商，有的供給光學(xué)、機(jī)械用途。但不論是用什么方式生產(chǎn)，以及用作什么用途，人造鉆石都和天然鉆石沒(méi)有任何區(qū)別——這么說(shuō)也不太嚴(yán)謹(jǐn)，因?yàn)樘烊汇@石確實(shí)不如人造鉆石純凈。而且，人造鉆石的制作周期只要幾周，可以批量生產(chǎn)。

不過(guò)，至少在目前看來(lái)，短時(shí)間人造黃金只能停留在實(shí)驗(yàn)探索的層面，我們還沒(méi)有能力像生產(chǎn)鉆石一樣生產(chǎn)黃金，黃金的價(jià)格應(yīng)該也不會(huì)發(fā)生像鉆石一樣的雪崩。

來(lái)源：綜合自新智元、環(huán)球科學(xué)

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