STEAM｜从宇宙炼金术了解黄金起源为何人造金难以制作？｜星岛教室

更新时间：18:30 2026-08-26 HKT
发布时间：18:30 2026-08-26 HKT

黄金作为地球的稀有金属，在地壳中的平均含量仅约0.004ppm（即每1公吨的地壳岩石中仅含4毫克的黄金）。然而在现代，黄金凭借其优异的物理与化学特性，已转化为尖端科技中不可或缺的材料。黄金拥有卓越导电性，且具有不氧化的稳定性，可广泛应用于手机与电脑的电路连接器，以确保信号在长期运作下依然精准。在航太工程中，其极高的红外线反射率，使其成为太空望远镜（如詹姆斯．韦伯望远镜）的关键涂层，用于阻隔热辐射并侦测宇宙深处的微弱信号。其高度的生物相容性，亦让它在纳米医疗、标靶药物与快速检测试剂开发中得以应用。但这重要元素，究竟从何而来？

恒星核合成的终点

黄金的起源。AI示意图

要理解黄金的形成，必须探讨恒星内部的核合成过程。恒星是宇宙中的元素加工厂，透过引力塌缩产生的极高温与高压，促使轻原子核克服静电斥力发生融合。恒星的演化遵循着从氢融合至氦，再到碳、氧、矽的路径。然而，这条「链式反应」在到达铁元素时会遭遇物理上的终点。

「原子核结合能」与「铁障碍」

要了解这现象，我们须先认识何谓「原子核结合能」。「结合能」是指质子与中子结合成原子核时释放的能量，亦是将原子核完全分解回基本粒子时须吸收的能量。从结合能曲线图可以看出，铁是全宇宙最稳定的原子核之一。在铁元素之前的核融合属于放热反应，会释放出巨大能量，这些能量提供了向外的压力，足以对抗引力塌缩，维持恒星的稳定。

然而，一旦跨越铁元素，制造更重元素的融合过程便转变为吸热反应，需要额外吸收大量的外部能量。这意味着核融合不能再为恒星供能，反而会消耗其能量储备。因此，即便是宇宙中质量最大的恒星，其核心的热核融合也无法自发地产生黄金。

延伸阅读：STEAM｜为何机械人懂得「绝世武功」？从科学角度解构背后原理｜星岛教室

化学与核物理界限

人类一直尝试炼金。示意图

面对恒星也难以跨越的「铁障碍」，人类在历史上曾试图挑战元素的转换，这便是古代炼金术的起源。炼金术士企图透过强酸溶解、高温熔炼或混合药剂等手段改变铅或汞的性质。然而从现代物理学的角度看，透过化学方法制造黄金是绝对不可能实现的。

因为化学反应的范畴仅限于原子核外的电子交换。无论如何交换电子，原子核内的质子数始终保持不变。黄金的核心拥有79个质子，要将其他元素转化为金，必须直接从原子核加入或移除质子。然而原子核是由宇宙最强大的「强核力」紧紧束缚在一起，要克服这种力量并重组原子核，所需的能量等级比化学能高出约一百万倍。化学方法无法深入内核改变本质，这解释了为何炼金术士奋斗千年，终究只能面对失败。

超新星爆发

既然化学手段与普通恒星都无能为力，黄金究竟是如何诞生的？在恒星演化末期，当大质量恒星消耗完核燃料后，核心会因失去热压力支持而发生剧烈的向心坍缩，随后引发「超新星爆发」（Supernovae）。

在爆发的几秒钟内，环境中充斥着能量密度极高的自由中子流。此时发生了关键的「快中子捕获过程」（Rapid Neutron Capture Process，简称r-process）。在极短的时间内，铁等较轻的种子原子核会迅速捕获大量中子，使其质量数暴增，转变为极其不稳定的富中子同位素。随后这些不稳定原子核透过「核衰变」(中子转变为质子)，演变成稳定且较重的元素，如金、铂和铀。

延伸阅读：为何猫咪身体似水造？从STEAM角度解构主子身体奥妙！｜星岛教室

中子星碰撞

虽然超新星能产生黄金，但近年来的数据显示，其能量密度与中子流强度可能不足以解释宇宙中观测到的重元素含量。但在2017年，雷射干涉重力波天文台（LIGO）观测到两颗中子星的碰撞与合并（GW170817事件），便给予我们答案。

中子星是恒星塌缩后留下的极致密天体，其本质上是一个巨大的中子核。当两颗中子星以接近光速碰撞时，会产生名为「千新星」（Kilonova）的现象。碰撞喷射出的物质中，中子密度极高，r-process在此处得以完美进行。观测证实，单次中子星合并事件产生的黄金总量，可达数个地球质量的总和。这解释了太阳系及地球中黄金的主要来源。我们手上戴的戒指，其实是两颗死亡恒星碰撞后的残骸。

人造金限制

人造金的技术门槛很高。示意图

尽管现代物理学已成功破解点石成金的核密码，将人工制造黄金从神话转变为现实，但这项技术目前仍有不少限制。

理论上，科学家可利用粒子加速器将亚原子粒子加速至接近光速并撞击特定目标。例如透过撞击原子序为83的铋，可以强行剥离其核内的质子使其转化为金。然而加速器运转的电费与设备维护费用，远高于天然金矿的开采价格，使制造过程完全不符合经济效益。另一种方法是透过核反应炉，利用中子流撞击汞原子，但此方法面临严重的放射性风险。人工合成的金同位素通常极不稳定，必须经历长达数十甚至上百年的冷却期，待其放射性衰变至安全水平后方可接触。这种时间成本与健康风险，使人造金在实践上不具备商业价值。