不用化学反应，物理学家真把铅变成了金！

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把铅变成金，这是中世纪炼金术士最大的梦想。现在，这个看似不可能的梦想，真的被科学家实现了！

但是，铅怎么可能变成金呢？它们是完全不同的元素啊。没错，从化学角度来说，确实不行。铅原子核里有82个质子，而金是79个，两者差了整整3个质子。因此用任何化学方法都无法让它们互相转化。

但如果我们换个思路，用物理的方法呢？比如，想办法把铅核中的3个质子“打”出来，那会发生什么？听起来天方夜谭，但就在今年5月，欧洲核子研究中心（CERN）的科学家们在大型强子对撞机（LHC）的一场铅核对撞实验中，真的实现了这个操作——他们把铅变成了金。虽然金的产量极少，存在的时间也不到一秒，但确确实实产生了金！

那么，他们是怎么做到的？

大型强子对撞机，许多人可能都听说过，这是世界上最强大的粒子加速器。科学家们通常用它来加速质子，把它们推到接近光速，再让它们正面相撞，借此产生各种奇特的粒子，比如大名鼎鼎的希格斯玻色子，或者质量比质子还大得多的顶夸克。

但大型强子对撞机不只是加速质子，它还可以加速带正电的原子核，比如铅核。每个铅核有82个质子，因此带有强大的正电荷。当两个铅核在加速器中正面相撞时，它们的质子和中子会被猛烈打碎，释放出构成它们的基本粒子——夸克和胶子，从而形成一种只有在宇宙诞生之初才存在的炽热而致密的物质状态，叫作夸克-胶子等离子体（quark-gluon plasma）。大型强子对撞机中的ALICE实验，就是专门研究这种极端的物质状态。

但这样“硬碰硬”的正面撞击其实并不常见，大多数时候，这些铅核在空间中只是擦肩而过——它们之间的距离非常小，但没真正撞上。你可能会以为，既然没碰到，那就什么都不会发生。但实际上，即便没有物理接触，这种“擦肩而过”也可能引发奇妙的物理过程。

为什么？因为铅核会产生强大的电磁场。而在接近光速的运动下，根据狭义相对论的洛伦兹收缩效应，这个电磁场会被压缩成一个非常薄、像“煎饼”一样的形状。这时候，物理学家可以把这个被压缩的电磁场等效地看作是一束虚光子流。

当这束虚光子流“扫过”另一个铅核时，有可能会引发一种现象，叫作电磁离解。简单来说，就是光子激发了原子核内部的集体振荡，让其中一部分中子甚至质子被“抖”出来。

你可以把这个过程想象成：两辆赛车在高速赛道上擦肩飞驰，虽然没有碰撞，但它们带起的空气乱流却能把对方车上的装饰件掀飞。同样的，即使两个铅核没有直接撞上，它们之间强大的电磁场也能把对方原子核的一部分“吹”出来。

如果一个铅核因此失去了中子，它就变成了另一种同位素；但如果丢掉的是质子，那它就不再是铅了，而是变成了新的元素。

那我们是怎么知道铅变成了金呢？

在ALICE实验中，科学家使用了一种非常敏感的探测器，叫做“零度量热计”。它的任务是测量粒子的能量，以及经过复杂统计和分析，统计那些从铅核中“抖”出来的质子数量。

如果一个质子被踢出，它可能变成了铊；
踢出两个，就是汞；
踢出三个，那就是金了。

左：两个铅核擦肩而过；右：在电磁离解过程中，其中一个铅核失去了2个中子和3个质子，变成了金核。图源：CERN

虽然变成金的情况相对更罕见，但实验数据显示，在 ALICE 的碰撞点，每秒钟最多仍能产生多达89,000个金原子核。不过这些金核在飞离碰撞点后，就会直接撞上束流管或准直器。在撞击中，它们立刻碎裂，变成质子、中子等粒子。所以金确实出现了，但它存在的时间非常的短暂。

根据ALICE团队的估算，在第二轮运行（2015–2018 年）中，四个主要实验共计产生了大约 860 亿个金核，总质量约为 29 皮克（2.9 × 10⁻¹¹ 克）。而在第三轮中，由于加速器亮度提升，金的产量还翻了一倍。但就算是这样，这点金子连看都看不见，更别提炼金致富了。

所以，从技术上讲，炼金术士的梦想已经实现了——铅确实可以变成金。但从现实上说，他们靠这个发财的希望，也彻底破灭了。更何况，为了变出这些金，科学家们可是要耗费巨大的代价建设和运行整个对撞机！

虽然这项成果无法带来金山银海，但它不仅让我们更好地理解了电磁离解这一基础物理过程，甚至还可能影响下一代粒子加速器的设计思路。

本文为科普中国·创作培育计划扶持作品

作者：陈佳君 原理主编
审核：周晓亮 北京交通大学物理学实验室 高级工程师；刘路 华东师范大学化学与分子工程学院 教授
出品：中国科协科普部
监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司