这种元素界的“离经叛道者”，撼动了宇宙大爆炸理论？

来源：中科院物理所

作者：Paul M. Sutter

翻译：Wonder

审校：姬子隰

原文链接：Lithium, the Elemental Rebel

无论是电动汽车、手机还是扫地机器人，在每一块它们的电池中都潜藏着一个宇宙之谜。如今被广泛使用来为我们生活供能的锂，因为过于常见以至于看起来平平无奇。但是这种元素实际上是一张“万能牌”，一个一直挑战着我们对宇宙形成最基本认知的“离经叛道者”。

除了制造锂离子电池，生产玻璃和陶瓷，研发光学系统，净化空气，制作烟花与火箭推进剂，制造核武器以及合成情绪稳定类药物等一系列用途之外，锂元素在宇宙中也是广泛存在的。但宇宙中的锂储量远低于预期，对其背后的原因我们至今仍一无所知。

锂的用途及占比（2020）：电池是锂最为重要的应用场景 图片来源：仿照英文维基百科词条绘制

这种难以捉摸的轻量元素许久以来始终无法被解释，拒不遵从我们的正统宇宙学理论。成熟稳健的大爆炸理论，其众多成就之一便是能让我们精确预测宇宙中所有轻元素的丰度——除了锂元素。

这意味着，可能是我们对大爆炸的理解存在谬误，也可能是我们的测算方式出了问题，甚至是二者皆错。而这一现象亦或是一种信号，预示着宇宙早期曾存在某些新的、尚未被人类发现的推动力。无论最终的答案是什么，这个 “离经叛道者” 及其引发的所谓 “宇宙锂（丰度）问题”，都将向我们揭示一个关于宇宙的颠覆性新真相。

眼下所要做的，就是把这个真相找出来

在地球上，锂自地球形成之初就一直埋藏在人类脚下，却始终无人察觉到这种元素的存在。锂的英文名称源自希腊语中 “岩石” 一词，在地球上，它通常仅以微量形式存在于大型矿物聚集体中。在1800 年，巴西化学家若泽·博尼法西奥·德·安德拉达·席尔瓦（José Bonifácio de Andrada e Silva）在瑞典的宇托岛（the island of Uto）发现了含有锂的一种新矿石。十七年后，化学家永斯·雅各布·贝采利乌斯（Jöns Jakob Berzelius）从这种矿石中分离出了这一新元素。自那以后，这种银白色的金属便为实现当下生活的诸多便利提供了可能。

然而，宇宙中绝大多数的锂被束缚在恒星内部。

宇宙中所有锂元素的约四分之一—— 包括我们家用电子产品中的锂 —— 诞生于大爆炸后的最初几分钟。

大爆炸理论告诉我们，137.7 亿年前，如今这个跨度超过900 亿光年、囊括了所有恒星与星系的整个可观测宇宙曾经被压缩在一个桃子大小的空间之中（注： 主流学界最新测算宇宙年龄为138.2亿年 ）。

大爆炸刚发生的瞬间，温度高到所有质子和中子都被裂解熔成了组成它们的基本粒子，这些微小的粒子被称为夸克。一旦有些夸克聚集形成质子，产物几乎立刻会被剧烈的碰撞或者高能辐射击碎。但随着宇宙不断膨胀，温度也逐渐降低。在大爆炸发生约 3 分钟后这个特定的时间点上，这种奇异的等离子体冷却到了约 10 亿开尔文 —— 尽管这个温度仍然非常高，但已经足够维持稳定的质子和中子形成。

这些核反应持续进行，新形成的质子与中子之间相互结合，产生了元素周期表中最轻的四种元素：氢、氦、锂和铍 。但在这样的粒子之舞进行了 10 到 20 分钟之后，膨胀的宇宙温度变得太低，无法维持后续的反应，这些元素的丰度就此固定了下来。

终极拉扯：宇宙学家仍在为宇宙中锂明显的缺失感到困惑。他们目前认为，宇宙中约四分之三的锂来自环绕运行的恒星系统，其中一颗致密的白矮星会从其伴星中吸积氢，最终引起一场经典的新星爆发，随之引发的聚变反应会将氢的成分转化为锂。图片来源：Nazarii_Neshcherenskyi / shutterstock

大爆炸理论最伟大的成就之一，就是它能够预测这些轻元素的丰度。物理学家拉尔夫·阿尔弗（Ralph Alpher）在上世纪 40 年代借助当时新兴的核物理知识首次完成了相关计算，之后他在一篇合著的知名论文中对这项研究进行了完善 [1]。

这些计算结果被统称为大爆炸核合成，是大爆炸理论最有力的预测之一：一个对于大爆炸之后最初炙热的几分钟内轻元素生成量的精确、恰到好处的估计。天文学家们通过研究宇宙中最古老的恒星、星系和星云，验证了这一预测。

除了锂元素。

这些核合成计算的结果显示，宇宙中锂的含量应该是我们在古老恒星（我们研究宇宙早期状态的最佳参照）中观测到的三倍左右。相反地，和这种元素本身充满矛盾的特性相符，新生恒星的锂含量往往远高于我们的预期。

而这一切都还只是宇宙中锂元素总量的四分之一。宇宙学家现在认为，其余 75% 的锂可能来自被称为经典新星（classical nova）的一种特定类型的爆发恒星[2]。在经典新星系统中，存在一颗白矮星 —— 类太阳恒星死亡后残留的核心残骸，以及一颗绕其运行的伴星。白矮星的引力会将伴星表面的氢吸走，在自身周围形成一层大气。而当大气层的密度达到某个临界值时，氢会自发引起失控的聚变反应，将这层大气层炸散（有时这种爆炸会在地球的夜空中显现为一颗 “新出现” 的恒星，即一颗“新星”）。因为锂由三个质子和若干中子构成，新星爆发时的氢聚变反应很容易大量产生锂元素。

新星爆发：2013 年半人马座新星是首颗被发现存在锂元素证据的新星 图片来源：英文维基百科词条（Lithium）

但是锂元素也是极不稳定的，因为它是轻元素里结合能最低的一种，这意味着 只需要最少的能量就能将其再次拆分 [ 3] 。所以新星爆发产生的绝大多数的锂都会重新蒸发为氢和氦。剩下的锂则会受到宇宙射线的冲击，宇宙射线能够穿透锂的原子核，让它变得不稳定，最终以同样的方式被汽化；当然，锂也有可能在宇宙射线撞击较重原子时自发产生 [4] 。

感到困惑吗？

不止你一个人如此 [5]。天文学家也无法确定，在所有这些天体物理层面的混合与碰撞之后，哪些过程起到了最关键的作用，也无法弄清锂的最终总含量应该是多少。这一切意味着，在大爆炸火球中产生的锂与我们如今在宇宙中观测到的散布各处的锂之间，只存在模糊的联系。

当这类谜团持续数十年都没有解开时，科学家们会将其视为宇宙在向他们传递某种重要信息的信号。而这个重要信息的具体内涵，目前还存在争议。就像物理学界的争论常有的情况那样，理论家指责观测家，同时观测家又反过来指责理论家。

对于锂的反常特性的一种解释是，我们对核物理的理论理解，尤其是对大爆炸最初几分钟内剧烈物理过程的理解，还不够到位。

这一点其实很难说得通，鉴于我们对核电站与核武器相关技术的掌握，我们看起来对这类相互作用有着相当不错的了解。但也存在一些有趣的切入点。比如，一些极其罕见的反应链可能在不打乱其他元素平衡的前提下额外产生一些锂；或者共振效应也可能发挥了作用。这些效应是压力、温度和作用空间的特殊组合，能让元素的生成量高于平均水平。我们可能低估了大爆炸物理中一些这类共振效应的重要性，只是因为它们在地表实验中很少出现。

另一方面，我们的观测结果也可能将我们引入歧途。锂是一种性质很不稳定的元素，因此我们很难掌握那些从未接触或受到其他过程污染的原始锂的总量。我们所能做的最好的就是寻找银河系中现存最古老的恒星，并尝试测量它们表面的锂含量。这些古老恒星是最有可能保持 “纯净” 的 —— 它们的锂含量能够反映大爆炸时期产生的原始锂含量，而非后期恒星聚变过程产生的锂。但这类测量并不简单，需要大量的校准和微调工作。因为只有在得知恒星的温度以及其他元素的丰度之后，我们才能推断出锂的含量。如果这些校准工作出现了偏差，我们对锂含量的估算也会出错，这会让我们只能得到一个粗略、并不精确的结论，无法得知这些恒星最初形成时的宇宙中到底有多少锂。

事实证明，恒星的表面甚至可能并不是寻找锂的最佳位置。每一颗恒星的绝大部分都由氢和氦这两种最轻的元素构成。而锂的比重比它们都大，它可能会悄然沉入恒星内部深处，躲开我们的观测。如果它沉入的位置过深，恒星内部的高温高压可能会将它解离，转化为更多的氢和氦。

锂元素的产生与裂解图片来源：翻译自英文维基百科

最令人兴奋的一种可能性是，理论家和观测家的观点都是正确的，但我们完全忽略了早期宇宙中某些有趣的新物理现象。或许是暗物质 —— 这种一直存在、构成了宇宙中大部分物质的神秘粒子 —— 可以自发衰变为其他粒子，从而干扰核合成的链式反应，改变锂的丰度。一些物理学家甚至提出，自然的基本常量，包括光速或是电子携带的电荷，在遥远的过去可能与现在并不相同，而这会打乱我们的许多计算过程。

而大多数天文学家认为，答案可能在一些没那么惊人的方向，比如锂在恒星大气中被破坏，但这种猜想还没有得到证实。我们没办法把恒星撬开，看看它的内部在发生什么，所以我们无法直接验证这个假说。

有些谜团会导致我们此前的认知被彻底颠覆，有些则会悄然得到解决。但无论如何，只要我们愿意接纳，“离经叛道者” 也可以成为最好的老师。它们会迫使我们重新审视现状，并调整我们的观点。它们就像挑衅者（agents provocateurs），会帮我们摆脱自满的状态，让我们保持警醒。锂正在发挥着这样的作用。没有任何科学理论是完美的，大爆炸理论也不例外。只有在那些尚未被探明的角落、认知的边界与灰色地带中，我们才有机会实现成长，拓展我们对宇宙的认知。

大爆炸理论至今仍是物理宇宙学研究中的主导范式。它可以解释宇宙为何在膨胀；可以解释远古遗迹辐射（宇宙微波背景辐射）的存在；还可以解释整个宇宙中物质的构成与分布方式。

除了锂元素。

参考文献：

[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., Başeğmez-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.

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