STEAM｜從宇宙煉金術了解黃金起源為何人造金難以製作？｜星島教室

更新時間：18:30 2026-08-26 HKT
發佈時間：18:30 2026-08-26 HKT

黃金作為地球的稀有金屬，在地殼中的平均含量僅約0.004ppm（即每1公噸的地殼岩石中僅含4毫克的黃金）。然而在現代，黃金憑藉其優異的物理與化學特性，已轉化為尖端科技中不可或缺的材料。黃金擁有卓越導電性，且具有不氧化的穩定性，可廣泛應用於手機與電腦的電路連接器，以確保信號在長期運作下依然精準。在航太工程中，其極高的紅外線反射率，使其成為太空望遠鏡（如詹姆斯．韋伯望遠鏡）的關鍵塗層，用於阻隔熱輻射並偵測宇宙深處的微弱信號。其高度的生物相容性，亦讓它在納米醫療、標靶藥物與快速檢測試劑開發中得以應用。但這重要元素，究竟從何而來？

恆星核合成的終點

黃金的起源。AI示意圖

要理解黃金的形成，必須探討恆星內部的核合成過程。恆星是宇宙中的元素加工廠，透過引力塌縮產生的極高溫與高壓，促使輕原子核克服靜電斥力發生融合。恆星的演化遵循着從氫融合至氦，再到碳、氧、矽的路徑。然而，這條「鏈式反應」在到達鐵元素時會遭遇物理上的終點。

「原子核結合能」與「鐵障礙」

要了解這現象，我們須先認識何謂「原子核結合能」。「結合能」是指質子與中子結合成原子核時釋放的能量，亦是將原子核完全分解回基本粒子時須吸收的能量。從結合能曲線圖可以看出，鐵是全宇宙最穩定的原子核之一。在鐵元素之前的核融合屬於放熱反應，會釋放出巨大能量，這些能量提供了向外的壓力，足以對抗引力塌縮，維持恆星的穩定。

然而，一旦跨越鐵元素，製造更重元素的融合過程便轉變為吸熱反應，需要額外吸收大量的外部能量。這意味着核融合不能再為恆星供能，反而會消耗其能量儲備。因此，即便是宇宙中質量最大的恆星，其核心的熱核融合也無法自發地產生黃金。

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化學與核物理界限

人類一直嘗試煉金。示意圖

面對恆星也難以跨越的「鐵障礙」，人類在歷史上曾試圖挑戰元素的轉換，這便是古代煉金術的起源。煉金術士企圖透過強酸溶解、高溫熔煉或混合藥劑等手段改變鉛或汞的性質。然而從現代物理學的角度看，透過化學方法製造黃金是絕對不可能實現的。

因為化學反應的範疇僅限於原子核外的電子交換。無論如何交換電子，原子核內的質子數始終保持不變。黃金的核心擁有79個質子，要將其他元素轉化為金，必須直接從原子核加入或移除質子。然而原子核是由宇宙最強大的「強核力」緊緊束縛在一起，要克服這種力量並重組原子核，所需的能量等級比化學能高出約一百萬倍。化學方法無法深入內核改變本質，這解釋了為何煉金術士奮鬥千年，終究只能面對失敗。

超新星爆發

既然化學手段與普通恆星都無能為力，黃金究竟是如何誕生的？在恆星演化末期，當大質量恆星消耗完核燃料後，核心會因失去熱壓力支持而發生劇烈的向心坍縮，隨後引發「超新星爆發」（Supernovae）。

在爆發的幾秒鐘內，環境中充斥着能量密度極高的自由中子流。此時發生了關鍵的「快中子捕獲過程」（Rapid Neutron Capture Process，簡稱r-process）。在極短的時間內，鐵等較輕的種子原子核會迅速捕獲大量中子，使其質量數暴增，轉變為極其不穩定的富中子同位素。隨後這些不穩定原子核透過「核衰變」(中子轉變為質子)，演變成穩定且較重的元素，如金、鉑和鈾。

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中子星碰撞

雖然超新星能產生黃金，但近年來的數據顯示，其能量密度與中子流強度可能不足以解釋宇宙中觀測到的重元素含量。但在2017年，雷射干涉重力波天文台（LIGO）觀測到兩顆中子星的碰撞與合併（GW170817事件），便給予我們答案。

中子星是恆星塌縮後留下的極緻密天體，其本質上是一個巨大的中子核。當兩顆中子星以接近光速碰撞時，會產生名為「千新星」（Kilonova）的現象。碰撞噴射出的物質中，中子密度極高，r-process在此處得以完美進行。觀測證實，單次中子星合併事件產生的黃金總量，可達數個地球質量的總和。這解釋了太陽系及地球中黃金的主要來源。我們手上戴的戒指，其實是兩顆死亡恆星碰撞後的殘骸。

人造金限制

人造金的技術門檻很高。示意圖

儘管現代物理學已成功破解點石成金的核密碼，將人工製造黃金從神話轉變為現實，但這項技術目前仍有不少限制。

理論上，科學家可利用粒子加速器將亞原子粒子加速至接近光速並撞擊特定目標。例如透過撞擊原子序為83的鉍，可以強行剝離其核內的質子使其轉化為金。然而加速器運轉的電費與設備維護費用，遠高於天然金礦的開採價格，使製造過程完全不符合經濟效益。另一種方法是透過核反應爐，利用中子流撞擊汞原子，但此方法面臨嚴重的放射性風險。人工合成的金同位素通常極不穩定，必須經歷長達數十甚至上百年的冷卻期，待其放射性衰變至安全水平後方可接觸。這種時間成本與健康風險，使人造金在實踐上不具備商業價值。