走進制造“宇宙中最重原子”的俄羅斯工廠

杜布納小城坐落在莫斯科以北靠近伏爾加河的茂密松林中。離市中心不遠，有一條草木繁盛的大街，布滿蘇聯時期的建筑物。但在這片建筑群中，有一個地方正在發生一些開創性的事情。

新元素補充元素周期表

一個巨大的混凝土車間里，戴著安全帽的工人們正忙著組裝世界上最強大的研究機器之一。在我觀看時，站在我身邊的是世界上唯一健在的用其名命名化學元素的人。尤里·奧加涅相——118號化學元素先生——幾乎是慈愛地凝視著車間中央那個4米寬的金屬圓盤。

這是一臺機器的首批部件之一，而這臺機器不久將開始產生出化學元素，但這可不是普通的化學元素，這些元素將是超重元素。通過第一次制造出數量足以供研究之用的這類奇異的原子，奧加涅相和他的機器應該能夠回答有關我們的宇宙是如何形成的一些重大問題，或許還可能給我們提供一個驚人的能量來源。他甚至可能會推翻支撐元素周期表本身的某些規則。現代元素周期表的誕生可以追溯到另一個俄羅斯城市——圣彼得堡。正是在那里，一位名叫德米特里·門捷列夫的科學顧問幫助人們穿透150年前的化學亂象，發明了化學元素周期表。

有了門捷列夫的周期表，化學結構開始變得更加可以理解。這個俄羅斯人根據原子量把已知的63種元素編制成表。我們現在知道，原子量是由原子核中的質子和中子的數量決定的。隨著時間的推移，化學家發現了更多的元素，填補了門捷列夫在元素周期表上留下的一些空白。到了1940年代，我們已經制造出第一批合成元素，比如锝。但是锝太不穩定，無法在地球上大量存在。

然而，我們通過向原子核中填充更多質子和中子，來不停地試圖制造新的元素。為此，我們需要一臺粒子加速器。這類工作在杜布納那片建筑群里已經開展很多年。那里就是聯合原子核研究所。這家機構成立的目的就是同瑞士日內瓦附近的歐洲核子研究中心粒子物理實驗室進行競爭。

聯合原子核研究所最重要的部分是弗廖羅夫核反應實驗室。在這個實驗室，回旋加速器沿磁螺旋狀軌道拋擲帶正電離子。一旦達到相當高的速度，帶電離子就被發射出去，沿著軌道去轟擊一個作為標靶的原子核。大多數情況下，撞擊的結果是兩者俱碎;但在小概率情況下，它們會融合成一個超重原子。

“超重元素工廠”蓄勢待發

在過去幾年里，日本、德國和俄羅斯的加速器用這種方式制造出大量新的超重元素，直到118號元素出現。但我們對這些超重元素幾乎一無所知。目前為止最先進的實驗是，讓新合成的原子穿過一個金釘陣列，金釘的溫度呈梯度變化，觀察黃金的溫度必須在多高的情況下才能使那些原子結合在一起。要想進行更多的實驗，需要更多的原子樣本。

然而，有跡象表明，超重元素的性質與其他元素不一樣。英國利物浦大學的羅爾夫一迪特馬爾·赫茨伯格說：“我們認為，一組元素的化學性質在某種程度上發生系統性變化。”但計算結果顯示，我們已經制造出的超重元素中有幾個像惰性氣體，盡管它們并不屬于惰性氣體。赫茨伯格說，如果是這樣，“你得問問自己，我們所知道的元素周期表是否還有效”。

如今，建造新的回旋加速器的“超重元素工廠”正在進行最后測試，準備今年春天進入全面運轉。這下一個最好的回旋加速器可以每周產生一個超重原子。“超重元素工廠”的生產率是以前的100倍，所以我們很快就應該有足夠的超重原子來開始嘗試新的實驗。

參與發現幾個超重元素的美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的馬克·斯托耶說：“你可以考慮將它們捕獲，測量它們的質量。你也可以進行化學實驗。”例如，可以把這些原子送入一個裝有某種活躍元素（比如氯）的反應室，看看它們是否與這種活躍元素結合。如果沒有結合，這就顯示這些原子像惰性氣體一樣不活躍。

潛藏價值拓展物理領域

或許在超重原子中還會發現新的潛藏價值。這是因為元素有不同的形式，稱為同位素。每個同位素的中子數量不同。元素由原子核中的質子數來定義：如果有一個質子，那就是氫;如果有兩個，那就是氦，等等。但氦同位素的原子核可以包含一個、兩個或零個中子。在元素周期表上的重元素也是類似情況。以114號元素為例（它最早也是在弗廖羅夫實驗室制造的），它有不同的同位素。但這次有可能其中一些同位素在很長一段時間內將保持穩定。

1963年，物理學家瑪麗亞·格佩特一梅耶、漢斯·延森和尤金·維格納因為提出一個原子核中的中子數和質子數可以為“幻數”而獲得諾貝爾物理學獎。這就相當于當原子的殼層結構填滿時，原子核就會非常穩定。根據這一理論，應該有一些極為穩定的超重元素。

找到這個傳說已久的“穩定島”可能非常有用。“穩定島”上的任何超重元素都可能持續數千年時間，并且由于其巨大的體積而蘊含驚人的能量。它們可以成為核電站極好的燃料。“超重元素工廠”是我們到達“穩定島”邊緣的最佳機會。