這種元素界的“離經(jīng)叛道者”，撼動了宇宙大爆炸理論？

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無論是電動汽車、手機還是掃地機器人，在每一塊它們的電池中都潛藏著一個宇宙之謎。如今被廣泛使用來為我們生活供能的鋰，因為過于常見以至于看起來平平無奇。但是這種元素實際上是一張“萬能牌”，一個一直挑戰(zhàn)著我們對宇宙形成最基本認(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。但宇宙中的鋰儲量遠(yuǎn)低于預(yù)期，對其背后的原因我們至今仍一無所知。

鋰的用途及占比（2020）：電池是鋰最為重要的應(yīng)用場景 圖片來源：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始終無法被解釋，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，可能是我們對大爆炸的理解存在謬誤，也可能是我們的測算方式出了問題，甚至是二者皆錯。而這一現(xiàn)象亦或是一種信號，預(yù)示著宇宙早期曾存在某些新的、尚未被人類發(fā)現(xiàn)的推動力。無論最終的答案是什么，這個 “離經(jīng)叛道者” 及其引發(fā)的所謂 “宇宙鋰（豐度）問題”，都將向我們揭示一個關(guān)于宇宙的顛覆性新真相。

眼下所要做的，就是把這個真相找出來

在地球上，鋰自地球形成之初就一直埋藏在人類腳下，卻始終無人察覺到這種元素的存在。鋰的英文名稱源自希臘語中 “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，如今這個跨度超過900 億光年、囊括了所有恒星與星系的整個可觀測宇宙曾經(jīng)被壓縮在一個桃子大小的空間之中（注：主流學(xué)界最新測算宇宙年齡為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 分鐘后這個特定的時間點上，這種奇異的等離子體冷卻到了約 10 億開爾文 —— 盡管這個溫度仍然非常高，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，無法維持后續(xù)的反應(yīng)，這些元素的豐度就此固定了下來。

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自環(huán)繞運行的恒星系統(tǒng)，其中一顆致密的白矮星會從其伴星中吸積氫，最終引起一場經(jīng)典的新星爆發(fā)，隨之引發(fā)的聚變反應(yīng)會將氫的成分轉(zhuǎn)化為鋰。圖片來源：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)時新興的核物理知識首次完成了相關(guān)計算，之后他在一篇合著的知名論文中對這項研究進(jìn)行了完善 [1]。

這些計算結(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)測之一：一個對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。天文學(xué)家們通過研究宇宙中最古老的恒星、星系和星云，驗證了這一預(yù)測。

除了鋰元素。

這些核合成計算的結(jié)果顯示，宇宙中鋰的含量應(yīng)該是我們在古老恒星（我們研究宇宙早期狀態(tài)的最佳參照）中觀測到的三倍左右。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 —— 類太陽恒星死亡后殘留的核心殘骸，以及一顆繞其運行的伴星。白矮星的引力會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)到某個臨界值時，氫會自發(fā)引起失控的聚變反應(yīng)，將這層大氣層炸散（有時這種爆炸會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”）。因為鋰由三個質(zhì)子和若干中子構(gòu)成，新星爆發(fā)時的氫聚變反應(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 圖片來源：英文維基百科詞條（Lithium）

但是鋰元素也是極不穩(wěn)定的，因為它是輕元素里結(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)的鋰都會重新蒸發(fā)為氫和氦。剩下的鋰則會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自發(fā)產(chǎn)生 [4]。

感到困惑嗎？

不止你一個人如此 [5]。天文學(xué)家也無法確定，在所有這些天體物理層面的混合與碰撞之后，哪些過程起到了最關(guān)鍵的作用，也無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)十年都沒有解開時，科學(xué)家們會將其視為宇宙在向他們傳遞某種重要信息的信號。而這個重要信息的具體內(nèi)涵，目前還存在爭議。就像物理學(xué)界的爭論常有的情況那樣，理論家指責(zé)觀測家，同時觀測家又反過來指責(zé)理論家。

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

這一點其實很難說得通，鑒于我們對核電站與核武器相關(guān)技術(shù)的掌握，我們看起來對這類相互作用有著相當(dāng)不錯的了解。但也存在一些有趣的切入點。比如，一些極其罕見的反應(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，只是因為它們在地表實驗中很少出現(xiàn)。

另一方面，我們的觀測結(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期產(chǎn)生的原始鋰含量，而非后期恒星聚變過程產(chǎn)生的鋰。但這類測量并不簡單，需要大量的校準(zhǔn)和微調(diào)工作。因為只有在得知恒星的溫度以及其他元素的豐度之后，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，我們對鋰含量的估算也會出錯，這會讓我們只能得到一個粗略、并不精確的結(jié)論，無法得知這些恒星最初形成時的宇宙中到底有多少鋰。

事實證明，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，它可能會悄然沉入恒星內(nèi)部深處，躲開我們的觀測。如果它沉入的位置過深，恒星內(nèi)部的高溫高壓可能會將它解離，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，理論家和觀測家的觀點都是正確的，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)的過去可能與現(xiàn)在并不相同，而這會打亂我們的許多計算過程。

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

有些謎團(tuán)會導(dǎo)致我們此前的認(rèn)知被徹底顛覆，有些則會悄然得到解決。但無論如何，只要我們愿意接納，“離經(jīng)叛道者” 也可以成為最好的老師。它們會迫使我們重新審視現(xiàn)狀，并調(diào)整我們的觀點。它們就像挑釁者（agents provocateurs），會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，我們才有機會實現(xiàn)成長，拓展我們對宇宙的認(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

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【互動問題：大爆炸理論雖然無法準(zhǔn)確預(yù)測鋰的豐度，但仍然是目前在宇宙形成機制方面最受學(xué)界認(rèn)可的理論。談?wù)勆钪谢蚴菍W(xué)習(xí)中遇到的那些我們經(jīng)常使用但“不夠完美”的物理理論。】

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編輯：姬子隰

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不代表中科院物理所立場

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