無(wú) 論是 電動(dòng)汽車、手機(jī)還是掃地機(jī)器人，在每一塊它們的電池中都潛藏著一個(gè)宇宙之謎。如今被廣泛使用來(lái)為我們生活供能的鋰，因?yàn)檫^(guò)于常見(jiàn)以至于看起來(lái)平平無(wú)奇。但是這種元素實(shí)際上是一張“萬(wàn)能牌”，一個(gè)一直挑戰(zhàn)著我們對(duì)宇宙形成最基本認(rèn)知的“離經(jīng)叛道者”。

除了制造鋰離子電池，生產(chǎn)玻璃和陶瓷，研發(fā)光學(xué)系統(tǒng)，凈化空氣，制作煙花與火箭推進(jìn)劑，制造核武器以及合成情緒穩(wěn)定類藥物等一系列用途之外，鋰元素在宇宙中也是廣泛存在的。但宇宙中的鋰儲(chǔ)量遠(yuǎn)低于預(yù)期，對(duì)其背后的原因我們至今仍一無(wú)所知。

鋰的用途及占比（2020）：電池是鋰最為重要的應(yīng)用場(chǎng)景 圖片來(lái)源：仿照英文維基百科詞條繪制

這種難以捉摸的輕量元素許久以來(lái)始終無(wú)法被解釋，拒不遵從我們的正統(tǒng)宇宙學(xué)理論。成熟穩(wěn)健的大爆炸理論，其眾多成就之一便是能讓我們精確預(yù)測(cè)宇宙中所有輕元素的豐度——除了鋰元素。

這意味著，可能是我們對(duì)大爆炸的理解存在謬誤，也可能是我們的測(cè)算方式出了問(wèn)題，甚至是二者皆錯(cuò)。而這一現(xiàn)象亦或是一種信號(hào)，預(yù)示著宇宙早期曾存在某些新的、尚未被人類發(fā)現(xiàn)的推動(dòng)力。無(wú)論最終的答案是什么，這個(gè) “離經(jīng)叛道者” 及其引發(fā)的所謂 “宇宙鋰（豐度）問(wèn)題”，都將向我們揭示一個(gè)關(guān)于宇宙的顛覆性新真相。

眼下所要做的，就是把這個(gè)真相找出來(lái)

在地球上，鋰自地球形成之初就一直埋藏在人類腳下，卻始終無(wú)人察覺(jué)到這種元素的存在。鋰的英文名稱源自希臘語(yǔ)中 “巖石” 一詞，在地球上，它通常僅以微量形式存在于大型礦物聚集體中。在1800 年，巴西化學(xué)家若澤·博尼法西奧·德·安德拉達(dá)·席爾瓦（José Bonifácio de Andrada e Silva）在瑞典的宇托島（the island of Uto）發(fā)現(xiàn)了含有鋰的一種新礦石。十七年后，化學(xué)家永斯·雅各布·貝采利烏斯（J?ns Jakob Berzelius）從這種礦石中分離出了這一新元素。自那以后，這種銀白色的金屬便為實(shí)現(xiàn)當(dāng)下生活的諸多便利提供了可能。

然而，宇宙中絕大多數(shù)的鋰被束縛在恒星內(nèi)部。

宇宙中所有鋰元素的約四分之一 —— 包括我們家用電子產(chǎn)品中的鋰 —— 誕生于大爆炸后的最初幾分鐘。

大爆炸理論告訴我們，137.7 億年前，如今這個(gè)跨度超過(guò)900 億光年、囊括了所有恒星與星系的整個(gè)可觀測(cè)宇宙曾經(jīng)被壓縮在一個(gè)桃子大小的空間之中（注：主流學(xué)界最新測(cè)算宇宙年齡為138.2億年）。

大爆炸剛發(fā)生的瞬間，溫度高到所有質(zhì)子和中子都被裂解熔成了組成它們的基本粒子，這些微小的粒子被稱為夸克。一旦有些夸克聚集形成質(zhì)子，產(chǎn)物幾乎立刻會(huì)被劇烈的碰撞或者高能輻射擊碎。但隨著宇宙不斷膨脹，溫度也逐漸降低。在大爆炸發(fā)生約 3 分鐘后這個(gè)特定的時(shí)間點(diǎn)上，這種奇異的等離子體冷卻到了約 10 億開爾文 —— 盡管這個(gè)溫度仍然非常高，但已經(jīng)足夠維持穩(wěn)定的質(zhì)子和中子形成。

這些核反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行，新形成的質(zhì)子與中子之間相互結(jié)合，產(chǎn)生了元素周期表中最輕的四種元素：氫、氦、鋰和鈹。但在這樣的粒子之舞進(jìn)行了 10 到 20 分鐘之后，膨脹的宇宙溫度變得太低，無(wú)法維持后續(xù)的反應(yīng)，這些元素的豐度就此固定了下來(lái)。

終極拉扯：宇宙學(xué)家仍在為宇宙中鋰明顯的缺失感到困惑。他們目前認(rèn)為，宇宙中約四分之三的鋰來(lái)自環(huán)繞運(yùn)行的恒星系統(tǒng)，其中一顆致密的白矮星會(huì)從其伴星中吸積氫，最終引起一場(chǎng)經(jīng)典的新星爆發(fā)，隨之引發(fā)的聚變反應(yīng)會(huì)將氫的成分轉(zhuǎn)化為鋰。圖片來(lái)源：Nazarii_Neshcherenskyi / shutterstock

大爆炸理論最偉大的成就之一，就是它能夠預(yù)測(cè)這些輕元素的豐度。物理學(xué)家拉爾夫·阿爾弗（Ralph Alpher）在上世紀(jì) 40 年代借助當(dāng)時(shí)新興的核物理知識(shí)首次完成了相關(guān)計(jì)算，之后他在一篇合著的知名論文中對(duì)這項(xiàng)研究進(jìn)行了完善 [1]。

這些計(jì)算結(jié)果被統(tǒng)稱為大爆炸核合成，是大爆炸理論最有力的預(yù)測(cè)之一：一個(gè)對(duì)于大爆炸之后最初炙熱的幾分鐘內(nèi)輕元素生成量的精確、恰到好處的估計(jì)。天文學(xué)家們通過(guò)研究宇宙中最古老的恒星、星系和星云，驗(yàn)證了這一預(yù)測(cè)。

除了鋰元素。

這些核合成計(jì)算的結(jié)果顯示，宇宙中鋰的含量應(yīng)該是我們?cè)诠爬虾阈牵ㄎ覀冄芯坑钪嬖缙跔顟B(tài)的最佳參照）中觀測(cè)到的三倍左右。相反地，和這種元素本身充滿矛盾的特性相符，新生恒星的鋰含量往往遠(yuǎn)高于我們的預(yù)期。

而這一切都還只是宇宙中鋰元素總量的四分之一。宇宙學(xué)家現(xiàn)在認(rèn)為，其余 75% 的鋰可能來(lái)自被稱為經(jīng)典新星（classical nova）的一種特定類型的爆發(fā)恒星[2]。在經(jīng)典新星系統(tǒng)中，存在一顆白矮星 —— 類太陽(yáng)恒星死亡后殘留的核心殘骸，以及一顆繞其運(yùn)行的伴星。白矮星的引力會(huì)將伴星表面的氫吸走，在自身周圍形成一層大氣。而當(dāng)大氣層的密度達(dá)到某個(gè)臨界值時(shí)，氫會(huì)自發(fā)引起失控的聚變反應(yīng)，將這層大氣層炸散（有時(shí)這種爆炸會(huì)在地球的夜空中顯現(xiàn)為一顆 “新出現(xiàn)” 的恒星，即一顆“新星”）。因?yàn)殇囉扇齻€(gè)質(zhì)子和若干中子構(gòu)成，新星爆發(fā)時(shí)的氫聚變反應(yīng)很容易大量產(chǎn)生鋰元素。

新星爆發(fā)：2013 年半人馬座新星是首顆被發(fā)現(xiàn)存在鋰元素證據(jù)的新星 圖片來(lái)源：英文維基百科詞條（Lithium）

但是鋰元素也是極不穩(wěn)定的，因?yàn)樗禽p元素里結(jié)合能最低的一種，這意味著只需要最少的能量就能將其再次拆分 [3]。所以新星爆發(fā)產(chǎn)生的絕大多數(shù)的鋰都會(huì)重新蒸發(fā)為氫和氦。剩下的鋰則會(huì)受到宇宙射線的沖擊，宇宙射線能夠穿透鋰的原子核，讓它變得不穩(wěn)定，最終以同樣的方式被汽化；當(dāng)然，鋰也有可能在宇宙射線撞擊較重原子時(shí)自發(fā)產(chǎn)生 [4]。

感到困惑嗎？

不止你一個(gè)人如此 [5]。天文學(xué)家也無(wú)法確定，在所有這些天體物理層面的混合與碰撞之后，哪些過(guò)程起到了最關(guān)鍵的作用，也無(wú)法弄清鋰的最終總含量應(yīng)該是多少。這一切意味著，在大爆炸火球中產(chǎn)生的鋰與我們?nèi)缃裨谟钪嬷杏^測(cè)到的散布各處的鋰之間，只存在模糊的聯(lián)系。

當(dāng)這類謎團(tuán)持續(xù)數(shù)十年都沒(méi)有解開時(shí)，科學(xué)家們會(huì)將其視為宇宙在向他們傳遞某種重要信息的信號(hào)。而這個(gè)重要信息的具體內(nèi)涵，目前還存在爭(zhēng)議。就像物理學(xué)界的爭(zhēng)論常有的情況那樣，理論家指責(zé)觀測(cè)家，同時(shí)觀測(cè)家又反過(guò)來(lái)指責(zé)理論家。

對(duì)于鋰的反常特性的一種解釋是，我們對(duì)核物理的理論理解，尤其是對(duì)大爆炸最初幾分鐘內(nèi)劇烈物理過(guò)程的理解，還不夠到位。

這一點(diǎn)其實(shí)很難說(shuō)得通，鑒于我們對(duì)核電站與核武器相關(guān)技術(shù)的掌握，我們看起來(lái)對(duì)這類相互作用有著相當(dāng)不錯(cuò)的了解。但也存在一些有趣的切入點(diǎn)。比如，一些極其罕見(jiàn)的反應(yīng)鏈可能在不打亂其他元素平衡的前提下額外產(chǎn)生一些鋰；或者共振效應(yīng)也可能發(fā)揮了作用。這些效應(yīng)是壓力、溫度和作用空間的特殊組合，能讓元素的生成量高于平均水平。我們可能低估了大爆炸物理中一些這類共振效應(yīng)的重要性，只是因?yàn)樗鼈冊(cè)诘乇韺?shí)驗(yàn)中很少出現(xiàn)。

另一方面，我們的觀測(cè)結(jié)果也可能將我們引入歧途。鋰是一種性質(zhì)很不穩(wěn)定的元素，因此我們很難掌握那些從未接觸或受到其他過(guò)程污染的原始鋰的總量。我們所能做的最好的就是尋找銀河系中現(xiàn)存最古老的恒星，并嘗試測(cè)量它們表面的鋰含量。這些古老恒星是最有可能保持 “純凈” 的 —— 它們的鋰含量能夠反映大爆炸時(shí)期產(chǎn)生的原始鋰含量，而非后期恒星聚變過(guò)程產(chǎn)生的鋰。但這類測(cè)量并不簡(jiǎn)單，需要大量的校準(zhǔn)和微調(diào)工作。因?yàn)橹挥性诘弥阈堑臏囟纫约捌渌氐呢S度之后，我們才能推斷出鋰的含量。如果這些校準(zhǔn)工作出現(xiàn)了偏差，我們對(duì)鋰含量的估算也會(huì)出錯(cuò)，這會(huì)讓我們只能得到一個(gè)粗略、并不精確的結(jié)論，無(wú)法得知這些恒星最初形成時(shí)的宇宙中到底有多少鋰。

事實(shí)證明，恒星的表面甚至可能并不是尋找鋰的最佳位置。每一顆恒星的絕大部分都由氫和氦這兩種最輕的元素構(gòu)成。而鋰的比重比它們都大，它可能會(huì)悄然沉入恒星內(nèi)部深處，躲開我們的觀測(cè)。如果它沉入的位置過(guò)深，恒星內(nèi)部的高溫高壓可能會(huì)將它解離，轉(zhuǎn)化為更多的氫和氦。

鋰元素的產(chǎn)生與裂解圖片來(lái)源：翻譯自英文維基百科

最令人興奮的一種可能性是，理論家和觀測(cè)家的觀點(diǎn)都是正確的，但我們完全忽略了早期宇宙中某些有趣的新物理現(xiàn)象?；蛟S是暗物質(zhì) —— 這種一直存在、構(gòu)成了宇宙中大部分物質(zhì)的神秘粒子 —— 可以自發(fā)衰變?yōu)槠渌Ｗ?，從而干擾核合成的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，改變鋰的豐度。一些物理學(xué)家甚至提出，自然的基本常量，包括光速或是電子攜帶的電荷，在遙遠(yuǎn)的過(guò)去可能與現(xiàn)在并不相同，而這會(huì)打亂我們的許多計(jì)算過(guò)程。

而大多數(shù)天文學(xué)家認(rèn)為，答案可能在一些沒(méi)那么驚人的方向，比如鋰在恒星大氣中被破壞，但這種猜想還沒(méi)有得到證實(shí)。我們沒(méi)辦法把恒星撬開，看看它的內(nèi)部在發(fā)生什么，所以我們無(wú)法直接驗(yàn)證這個(gè)假說(shuō)。

有些謎團(tuán)會(huì)導(dǎo)致我們此前的認(rèn)知被徹底顛覆，有些則會(huì)悄然得到解決。但無(wú)論如何，只要我們?cè)敢饨蛹{，“離經(jīng)叛道者” 也可以成為最好的老師。它們會(huì)迫使我們重新審視現(xiàn)狀，并調(diào)整我們的觀點(diǎn)。它們就像挑釁者（agents provocateurs），會(huì)幫我們擺脫自滿的狀態(tài)，讓我們保持警醒。鋰正在發(fā)揮著這樣的作用。沒(méi)有任何科學(xué)理論是完美的，大爆炸理論也不例外。只有在那些尚未被探明的角落、認(rèn)知的邊界與灰色地帶中，我們才有機(jī)會(huì)實(shí)現(xiàn)成長(zhǎng)，拓展我們對(duì)宇宙的認(rèn)知。

大爆炸理論至今仍是物理宇宙學(xué)研究中的主導(dǎo)范式。它可以解釋宇宙為何在膨脹；可以解釋遠(yuǎn)古遺跡輻射（宇宙微波背景輻射）的存在；還可以解釋整個(gè)宇宙中物質(zhì)的構(gòu)成與分布方式。

除了鋰元素。

參考文獻(xiàn)：

[1]. Alpher, R. A., Bethe, H., & Gamow, G. (1948). The Origin of Chemical Elements. Phys. Rev., 73(7), 803–804. https://doi.org/10.1103/PhysRev.73.803

[2]. Tajitsu, A., Sadakane, K., Naito, H.et al. Explosive lithium production in the classical nova V339 Del (Nova Delphini 2013). Nature 518, 381–384 (2015). https://doi.org/10.1038/nature14161

[3]. Baumann, P., Ramírez, I., Meléndez, J., Asplund, M., & Lind, K. (2010). Lithium depletion in solar-like stars: no planet connection. Astronomy and Astrophysics, 519, A87. https://doi.org/10.1051/0004-6361/201015137

[4]. Aguilar, M., Ali Cavasonza, L., Ambrosi, G., Arruda, L., Attig, N., Aupetit, S., Azzarello, P., Bachlechner, A., Barao, F., Barrau, A., Barrin, L., Bartoloni, A., Basara, L., Ba?e?mez-du Pree, S., Battarbee, M., Battiston, R., Becker, U., Behlmann, M., … Beischer, B. (2018). Observation of New Properties of Secondary Cosmic Rays Lithium, Beryllium, and Boron by the Alpha Magnetic Spectrometer on the International Space Station. Physical Review Letters, 120(2). https://doi.org/10.1103/physrevlett.120.021101

[5]. Akira Arai et al. Detection of 7Be II in the Classical Nova V5669 Sgr (Nova Sagittarii 2015 No. 3). The Astrophysical Journal, 2021 DOI: 10.3847/1538-4357/ac00bf

[6]. Lyubimkov, L. S. (2017). Lithium in stellar atmospheres: Observations and theory.arXiv Preprint arXiv:1701.05720.

作者：Paul M. Sutter

翻譯：Wonder

審校：姬子隰

本文轉(zhuǎn)載自《中科院物理所》微信公眾號(hào)

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