铍是最轻的碱土金属,原子序数为4,在宇宙中非常稀有,然而它却拥有一个巨大的市场,铍的市场规模预计到2029年将达到1.464亿美元,因为铍及其合金可用于生产飞机机身部件,以及计算机、电视和移动设备中的电子部件。

稀有元素铍
铍最初是从祖母绿中发现的,在自然界中,常见的铍矿物包括翡翠、绿柱石和鹅卵石等。
与元素周期表中的其他元素相比,它在我们的宇宙和太阳系中的自然出现少得惊人。
它是一种轻质的碱土金属,具有银白色外观和良好导热性。
铍是一种非常特殊的金属,它具有一些独特的性质。
一方面,铍是一种非常轻的金属,比铝还要轻,这使得它在航空航天和汽车制造等领域具有重要应用。
另一方面,它虽然轻,但具有出色的硬度和强度,比钢还要坚硬,因此也被广泛用于制造高性能合金和工具。
此外,铍对X射线具有高度透明性,因此在医学和科学研究中的X射线设备中有重要应用。
精制铍晶体通常会被熔化并制作成坚固、轻便的航天器部件,它既昂贵又有毒性,但在成本不是问题的情况下,它完美适用于多种高精尖的应用。
尽管铍在许多领域具有重要应用,但也存在一些危害。
铍的粉尘和气体对人体有毒性,长期接触或吸入可能导致铍中毒,对肺部和皮肤造成伤害。
因此,在处理和使用铍时,工人被要求必须采取适当的防护措施,如戴防护手套和口罩。

铍的产量和价格
与金、铜和铅等金属的古老起源相比,铍是一个相对较新的金属。
铍是在18世纪末被发现的,而其独特的性质和商业价值直到二十世纪才得到认可。
世界上大部分铍矿石的生产都在美国,其余产量来自我国、巴西和非洲的几个国家,如尼日利亚、马达加斯加和莫桑比克。
俄罗斯的商业铍矿石生产于1990年停止,阿根廷和津巴布韦的铍矿开采也是如此。
美国唯一的铍矿石生产商在犹他州,而我国的主要铍产地则在新疆。
铍的稀缺性和采矿成本都是挑战,行业内急需更高效的铍提取和利用技术的研发,以满足市场对铍的需求。
由于铍的供应相对稀缺,其价格通常较高,而价格受多种因素的影响,包括供需关系、市场需求、采矿成本等。
而且铍具有独特的性质和应用价值,因此在一些高端工业和技术领域有广泛的需求。
主要应用领域包括航空航天、电子、汽车、医疗设备等。
例如,铍合金常用于制造航空发动机部件、半导体材料和医疗器械,这些行业对铍的需求推动了市场对铍的稀缺性和价格的关注,这些需求也会导致铍的价格一路走高。
铍为何价格高昂?
铍的高价,是由其稀缺性决定的。
首先,与氢、氦和锂不同,铍错过了在宇宙大爆炸早期产生的机会,科学家推测在当时的条件下,铍有点太大了以至于难以形成。
其次,还需要考虑核结合能。

尽管铍的单一稳定同位素,也就是铍9确实存在,并且它具有偶数个质子。
但它的每个核子的核结合能实际上低于更轻的双倍氦4核,换句话说,除非铍能够融合成另一个更大但更稳定的核,否则恒星中铍的产生没有任何能量上的好处。
所谓的核结合能是由物质的强相互作用引起,组成原子的核子越多,它的结合能就越高。
这意味着在恒星中形成的铍,会迅速变成更重并具有更稳定原子核的元素,如碳、氧甚至铁。
因此铍更多地是作为恒星核合成的中间体,而不是最终产品,在这个过程里,铍不断被创造,但也不断被消耗,所以成为了稀有物质。
宇宙中的大多数铍被认为是随着较大的原子在深空中与宇宙射线碰撞而分解形成的,不过我们在地球上拥有的铍往往会以氧化物的形式出现,它们积累在地壳中的某些矿物质中。
铍和铝一样,对人类生物学的重要性很少或根本没有,人类在进化的过程中也几乎没有接触过这种物质,也许这也是为什么人类从未开发出一种方法避免铍中毒。
进入血液的铍,即使量再少,都可以在人体内停留非常长的时间。
吸入或摄入大量这种元素会导致一种称为铍中毒的疾病,这可能导致持续数年甚至数十年的并发症,因为免疫系统会一直攻击身体试图消除掉根本无法被消除的的铍。
尽管如此,全世界每年提取的铍仍然超过200公吨。
它说,一个系统的熵只会随时间增加,不会减少。
这也是唯一一条能指明"时间箭头"朝哪走的物理定律。
熵,说白了就是无序的程度:熵越低,结构越有序;熵越高,越散乱。
糖从浓处向淡处扩散、气体膨胀、咖啡放凉,背后都是熵在增加。
人们相信,宇宙的演化也遵循这条定律。
宇宙早年处于低熵状态,一路演化到高熵。
可就在这个过程中,宇宙造出了一些极其复杂的结构——星系就是代表。
星系的熵很低,却是在一个高熵的环境里形成的。
这看起来像是在违反第二定律。
这个存在已久的矛盾,正是物理学家金妮斯特拉·比安科尼想解决的难题。
引力、熵与量子信息的交织,是比安科尼理论的视觉主题(图片来源:Physics World) 在爱因斯坦的广义相对论里,有个叫"度规"的数学对象,描述时空是怎么弯曲的;物质沿着这条弯曲走,就表现成了引力。
而在量子力学里,"算符"是对量子态做变换的数学工具。
比安科尼的关键一步,就是把这个"度规"当成量子算符来用,用量子化的方式描述时空的几何。
这样一来,会冒出两个"度规":一个是"真实"的时空度规,一个是由物质和能量诱导出来的度规。
两者之间"差多少",用量子信息论里的一个量来度量,叫量子相对熵。
正是这两个几何之间的量子相对熵,决定了时空怎么演化——换句话说,它给出的运动方程,就是引力。
在低曲率极限下,这套方程能精确还原爱因斯坦的广义相对论。
可一旦超出这个极限,方程就得被一个叫"G场"的对象修正。
G场生出一个暗能量项,而且是动态的。
暗能量被认为是直接推动宇宙膨胀的东西;在标准广义相对论里,它由静态的宇宙学常数驱动。
现在冒出一个动态的暗能量项,就有了被实验检验的机会。
比安科尼又把这套理论用到了弗里德曼-罗伯逊-沃克(FRW)宇宙模型上。
这是广义相对论对宇宙行为的一级近似,假设宇宙各向同性、处处均匀、且在膨胀。
膨胀由宇宙的主导成分驱动——暗物质、普通物质,或辐射。
宇宙膨胀时,体积变大,总熵也跟着变大。
但正因为体积涨得更快,单位体积里的熵——也就是熵密度——反而随时间下降。
总熵在涨,局部熵密度却在降,这就给了星系、甚至生命这类低熵结构一个在膨胀宇宙里被造出来的机制。
那这算不算违反第二定律?比安科尼用非空的 FRW 宇宙算了一遍总熵:要把熵密度在整个时空区域上积分,而因为体积随时间变大,总熵成了时间的函数——膨胀的速度超过了熵密度衰减的速度。
所以对辐射主导和物质主导的宇宙,总熵依然随时间增加,第二定律照样成立,尽管局部熵密度在下降。
比安科尼强调,GfE 理论还很年轻,需要实验来验证。
但这项工作揭示了它内在的热力学本质,为经典引力与量子引力都打开了新路——把引力用"量子信息"和"熵"来表述,也许正是通向"量子化引力"这个百年难题的另一条路径。
引力,也许并不是什么神秘的基本力,而只是信息与熵的必然结果。
若真如此,宇宙为什么要演化、为什么能长出星系和生命,答案也许就藏在这条最普通的第二定律里。
来源:S. Jones, "Could quantum information theory explain universe evolution?" Physics World, 14 Sep 2026. 报道所引研究:G. Bianconi, Physical Review D.
每次模拟都追踪了13.4万亿个暗物质粒子在286亿光年宽度区域内的演化过程。
这一成果有助于科学家研究宇宙暴胀,并为分析大型巡天观测数据提供重要支撑。
左图为百亿亿次级模拟生成的全天空光锥图;右图外圈显示宇宙微波背景辐射,扇区分别展示视线速度(红/蓝)、物质密度(灰)和引力势(绿/蓝)。
图片来源: 美国阿贡国家实验室 宇宙暴胀理论认为,极早期宇宙曾经历一段短暂而剧烈的快速膨胀。
这一过程将微观量子涨落拉伸到宇宙尺度,留下微小的密度差异;随后,引力把这些差异不断放大,最终形成我们今天看到的星系、星系团和宇宙大尺度结构。
然而,暴胀背后的具体物理机制仍未完全确定。
通过研究物质在宇宙中的分布,有望找到更多线索,探索宇宙最早期的秘密。
暗物质无法被望远镜直接看见,却凭借引力主导星系形成,并塑造更大尺度的宇宙结构。
在模拟中,暗物质粒子被用作暗物质密度和速度分布的“示踪剂”,团队由此得以追踪宇宙结构跨越数十亿年的演化轨迹。
标准宇宙暴胀模型预测,早期宇宙的密度涨落服从高斯分布,也就是最简单的一类随机模式。
科学家正努力寻找其中可能存在的微小偏差,即“原始非高斯性”。
一旦发现可测量的偏差,就可能暗示暴胀时期还存在其他场、相互作用或动力学过程,从而帮助区分关于宇宙最初时刻的不同理论。
然而,这类信号极其微弱,还可能被“宇宙方差”掩盖——由于观测只能采样宇宙的有限体积,统计不确定性难以完全消除。
因此,探测此类信号需要覆盖最大宇宙尺度的超大规模模拟。
而如此规模的模拟对算力要求极高。
团队在阿贡国家实验室的“极光”超级计算机上完成了计算。
模拟及大部分数据分析约4天完成,目标正是揭示宇宙暴胀的物理本质。
这些模拟数据将助力分析多项大型巡天项目,包括美国能源部支持的暗能量光谱仪(DESI)和NASA的SPHEREx任务,两者目前均处于数据采集阶段。
模拟与前沿观测相互印证,将共同描绘出更为精细的宇宙图景,推动人类对宇宙起源与演化的探索。
来源:科技日报