【元素家族——連載234】史前文明未解之謎——奧克洛核反應堆
1972年，法國人在非洲國家加彭的奧克洛地區發現了一座奇怪的鈾礦。根據經驗，所有鈾礦里鈾235的比例都是一樣的，約為0.7202%，然而這裡鈾礦里的鈾235隻有0.6%。當科學家們仔細調查之後，發現這絕對不是一座簡單的鈾礦，鈾235之所以這麼少，是因為一部分已經「燃燒」過了，這是一座古老的核反應堆，年齡足有17億年！
一時間傳言四起，有人猜測這是史前文明的核電站遺迹，還有人腦洞大開，說這是墜毀的外星人核動力飛船。不信，你到書店裡，在那些掛上「史前文明」「未解之謎」的書刊裡面，多半能看到這個「奧克洛核反應堆」。
【號外號外，非洲發現史前文明遺留下的核反應堆。】
史前文明和外星人真的存在嗎？
我們得科學精神一點：也許有吧，但奧克洛鈾礦跟他們半毛錢關係都沒有。
早在1956年，美籍日裔物理學家黑田和夫就預言了天然核反應堆的可能性，奧克洛只是印證了科學家的預言而已。
如果大家還記得「氧」篇章里的「大氧化事件」，就知道地球誕生之初20億年里空氣里氧氣極少。但在「大氧化事件」前後，地球上最早的生命——藍藻——一直在孜孜不倦的「搬磚」，通過光合作用將水裡的氧變成氧氣。20億年前，奧克洛附近的一條河裡就有這種藍藻，在氧氣和水的共同作用下，鈾不斷轉化成鈾鹽。巧合的地質構造促使這些鈾鹽集中到了一處，恰好達到臨界質量，於是發生鏈式反應，驅動了這座天然核反應堆。
【奧克洛核反應堆的實景。】
這也太巧合了吧，要知道，人類得到具體的臨界質量數值，還是通過了無數的感人的故事，最有名的一個就是「手撕原子彈」！
在「曼哈頓計劃」期間，一位加拿大物理學家斯羅廷也在洛斯阿拉莫斯的核武器實驗室工作，他的職責是確定鈾和鈈的臨界質量。每天，他用兩個半球形的鈹包裹住鈈核心，上下兩個半球中間用螺絲刀隔開，然後往縫裡加鈾，一旦發現鏈式反應發生，就將倆半球分開，然後減少鈾的量繼續實驗。他就是用這種極其原始而又危險的方法不斷逼近真實的臨界質量數值，這聽起來就帶有濃濃的「死亡氣息」，不是嗎？
【斯羅廷就是用這樣的裝置來測量臨界質量。】
1946年5月21日下午3點20分，災難還是降臨了，斯羅廷手滑了一下，那把螺絲刀掉到了地上，兩個半球就這麼合在了一起。房間里所有的科學家都看到了那恐怖的異象：半球開始發出藍光，一股股熱浪來襲，眼看他們的實驗室就要變成核爆中心！就在這緊急關頭，斯羅廷當機立斷，衝上去用自己的雙手把兩個半球分開，並將上面的鈹半球扔到地上，一場災難終於避免了。這是真正的「手撕原子彈」，相比之下，抗日神劇里的「手撕鬼子」都弱爆了。
【災難發生的時候，室內每位科學家的位置都被斯羅廷記錄下來。】
不僅如此，手撕核彈之後，斯羅廷仍然保持了難得的清醒，儘管他當時已經感覺強烈的灼燒感和嘴裡濃郁的酸味。他讓在場的所有人都不要動，記下了每個人的位置，估算了一下輻射量，然後說出那感人至深的在電影里才能聽到的話語：「我是肯定沒救了，你們趕緊去做治療吧。」 他又找來30米開外的氣體房間里有一個輻射測量儀，記下了各種數據，才在眾人的攙扶下走出實驗室。剛剛走出實驗大樓，他就忍不住嘔吐了起來。九天後，斯羅廷因過量輻射不治身亡。
【偉大的斯羅廷。】
你看，科學家用生命換來的寶貴數據，在自然界竟然已經存在了那麼多年，難道真是巧合嗎？我要告訴你，奧克洛鈾礦里的巧合可不光臨界質量這一點呢。
要讓一座核反應堆正常工作，臨界質量只是一個必要條件。鈾原子核釋放出的中子速度較快，必須將它們的速度降下來，才能讓其他鈾原子核「抓住」，發生鏈式反應。現代的核反應堆一般採用石墨或重水做減速劑，其實普通的水也能起到這個作用，只是它不僅會將中子變慢還會吸收一部分中子。
在奧克洛鈾礦里，在水的作用下，中子減速，引發鏈式反應，發出熱量，於是水又蒸發；沒有了水，中子「超速」了，反應中斷，水又冷卻下來，於是開啟第二次反應。每次反應的循環周期是2.5小時，這真是大自然的鬼斧神工。
【奧克洛鈾礦的結構：1，核反應堆；2，砂石；3，鈾礦層；4，花崗岩。】
可能你要問了，會不會是什麼恐怖分子，或者類似希特勒的戰爭狂人在這裡秘密修建的呢？
科學家們肯定考慮過了這一點，他們研究了奧克洛鈾礦里的釹元素，一般的釹元素以偶數原子量的形式存在，比如釹142、釹144、釹146等。然而，通過核裂變會產生更多奇數原子量的釹元素，如釹143、釹145等。科學家們經過分析，發現奧克洛鈾礦里的釹元素的同位素分布和現代的核反應堆非常相似，鑒定完畢，這是一座天然的核反應堆！
【奧克洛鈾礦里來自核裂變的釹元素（紅色）與自然界釹元素（藍色）的同位素對比。】
然而，奧克洛鈾礦終究還是有一些未解之謎。除了釹元素以外，科學家們還研究了奧克洛鈾礦里的幾乎所有元素和現代核反應堆作對比，再現性達到了令人吃驚的程度！除了一種元素：釤。在奧克洛鈾礦中，這種元素太少了。 「外星人」的論調又出現了。
科學家不會相信這種無法證偽的猜測，如果現有理論體系能夠包容那是最好，如果不能包容，那麼就要修改理論。有人提出，這是因為宇宙的精細結構常數α是在變化的。正是因為17億年前的這個α和現在不一樣，導致了奧克洛鈾礦里釤元素的缺失。
【慕尼黑大學，精細結構常數公式被刻在索末菲的雕像下面。】
精細結構常數α？這又是什麼東東？
從出處，它最早是索末菲提出來解釋玻爾模型里電子速度的；從公式上來說，它和電子電量的平方成正比，和普朗克常數、光速成反比。
從表面看來，這東西不過是一些物理常數的簡單組合。然而，隨著對宇宙的認識越來越深入，人們發現，精細結構常數具有太深刻的物理意義，可以說，它規範了整個宇宙的形態。因為有了α，所以元素周期表是我們看到的這樣；因為有了α，才會存在原子；更因為有了α，才會有各種化學反應；歸根到底，因為有了α，我才會如此苦逼的在這裡寫著系列的連載。
目前看來，α的數值是1/137，這才是宇宙終極奧秘，《銀河系漫遊指南》里的「42」的梗明顯應該換成這個數值。
【精細結構常數決定了電子云的分布，這是各種元素化學性質的基礎。】
以上的一系列排比句都基於α是一個常數，也就是說我們的宇宙是穩定的。然而，現在奧克洛鈾礦告訴我們α不是常數，我們的宇宙的基本規律是在發生變化的，說不定哪一天元素周期表就變了，化學老師又要讓你重新背誦一大堆陌生的元素；說不定哪一天原子都不能穩定存在了，我們看到的一切在瞬間分崩離析。看到這些，你還能如此篤定嗎？
好在宇宙變化似乎並沒有太快，1997年，澳大利亞科學家韋伯等人通過觀測17個極亮的類星體的光譜，發現120億年前，精細結構常數比當前小約十萬分之一。你是不是又長舒了一口氣：「你花了半天時間給我描述一頭大象，最後卻告訴我它掉了一根毛？」
【通過對來自遙遠類星體光譜的測量，發現精細結構常數的變化。】
在普通人看來，搞科學的人有時候真是偏執，十萬分之一也要大驚小怪。但在物理學家眼裡，只要有確鑿的證據證明它不是常數，他們就又有很多問題可以研究了，比如：
更高的能量下是否還有其他粒子？
光速、電子電量和普朗克常數，究竟哪個會變化？
暗物質？
宇宙是開放的還是封閉的？
等等等等，每一個問題都是諾獎級別的。你看，一個小小的奧克洛鈾礦，竟然能引申出宇宙奧秘，是不是比史前文明、外星人那些有意思多了？
【宇宙太多未解之謎，一步一步學習，才能更深的體會到這些謎題的樂趣。】
小測試：
1，「手撕原子彈」的科學家是誰？
A） 愛因斯坦
B） 玻爾
C） 斯羅廷
D）奧本海默
2，精細結構常數跟什麼成正比？
A） 電子電量
B） 電子電量的平方
C） 光速
D）普朗克常數
1， 你認為奧克洛鈾礦實際上是什麼？
A） 外星人遺迹
B） 史前文明遺迹
C） 恐怖分子秘密基地
D）自然形成
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