秦禮萍 中國科學技術大學教授 秦禮萍：她有一把丈量太陽係時間的尺子｜探索者 - 趣味新聞網

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秦禮萍 ，中國科學技術大學教授，2021年科學探索奬天文和地學領域獲奬者。

獲奬理由： 肯定她在太陽係和行星早期演化等宇宙化學領域的貢獻，支持她在地月係統物質來源及地球早期生命演化方嚮進行探索。

導 讀

秦禮萍是地學領域少數做到頂尖的女性科學傢。她曾獲得2014年歐洲地球化學學會豪特曼斯奬（Houtermans Award），成為獲得該奬的第一位中國科學傢。去年又獲得國內支持青年科學傢的科學探索奬。

無論是讀博時研究太陽係演化的秘密，還是獨立後探索 “生命從哪裏來的”，秦禮萍的科研曆程可以概括為兩點：專注於感興趣的問題；研究要有方嚮和目標，任何一個實驗、一個指標都有其目的。

撰文 | 王一葦

責編 | 陳曉雪

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圖1 研究太陽係和地球的起源，最終是為瞭探索生命的來源 | 圖源：pixabay.com

2005年的一個夜晚，27歲的秦禮萍獨自待在芝加哥大學地球物理係的實驗室。四周靜悄悄，隻有質譜儀偶爾發齣的蜂鳴聲。她已經熬瞭幾個大夜。這幾天的夜晚，每隔兩個小時，她都要起身監測一次質譜儀，測量樣品。機器一開動，進入穩定狀態就不能停，要趁著狀態好，把所有樣品都做完。

秦禮萍快速掃過一行行機器得齣的數據，瘦削的臉上再次浮起疑惑。幾個月瞭，樣品的同位素比值仍然達不到穩定值，她搞不明白哪裏齣瞭問題。

實驗要順利完成，她首先得確保取得的樣品中同位素比值精度控製在0.01‰之內。然而，這個年代的質譜儀測量並不那麼精確，數據經常 “飄”。影響同位素比值測試結果的因素多種多樣，秦禮萍排除瞭一個又一個因素，卻還是找不到答案。

她去問博士生導師。但導師什麼都沒說，扔下一句 “I don’t know more than you（我知道的不比你多）”，讓她迴去繼續做實驗。

秦禮萍感到前所未有的焦慮。這是她來美讀博的第四年，可距離研究齣成果好像還隔著十萬八韆裏。

她麵前，曾經有過一條更好走的路。她有三年時間跟著另外一位導師研究地球上的岩石，探索如何通過夏威夷火山熔岩的鐵錳元素比值解析地球地幔的構造，論文完成的很順利。第三年，導師要去另一所學校，走的時候建議她，憑著現有成果，已經可以畢業。四年就畢業，這對於博士而言幾乎是夢寐以求的。但是，思慮再三，她決定拒絕這個誘人的提議，加入係裏另一位教授 Nicholas Douphas 的團隊，從頭開始。

圖2 中國科學技術大學教授秦禮萍，是地學領域少數做到頂尖的女性科學傢。圖為2022年3月3日，秦禮萍在閤肥的辦公室。 | 拍攝：王一葦

這個決定看似由導師離開的偶然事件觸發，但並非一時興起。

閱讀前沿論文的習慣和多年在領域內的浸淫，讓她敏銳地感到，自己目前從事的傳統元素研究發展前景有限。當時，一些非傳統同位素的研究剛剛興起，發錶在《自然》《科學》等頂級學術刊物的亮眼研究，常常來自這個領域。

“沒有一個領域能抵抗的瞭同位素研究，”秦禮萍覺得，那纔是未來。“但怎麼分離提純，怎麼做高精度的同位素比值，這些我都沒學到。（我）覺得我自己沒有 prepare（準備好），還有好多東西沒學。”

短周期同位素又叫滅絕核素。“滅絕” 的意思，就是這些同位素形式的元素在今天的世界中已經不存在瞭。例如碘129，鋁26和鐵60，由於半衰期短，它們在漫長的太陽係曆史中早已衰變成為其他元素。不過，盡管它們消失瞭，我們還是可以通過它的衰變産物瞭解它的蹤跡。攜帶滅絕核素衰變産物的隕石，就像是太陽係中的琥珀，凝結瞭這個星係最初的模樣。

太陽係自誕生至今已經過去瞭45億年漫長的時間。在它生命的最初，一堆氣體塵埃雲聚閤形成行星，這個過程隻用瞭短短的韆萬年，此後，行星經曆瞭漫長的演化，與其最初的形態差距甚遠，而隻有火星、木星之間的小行星帶和海王星外側的柯伊伯帶上的小行星們，仍然保留瞭原初形態：它們來自原始的太陽星雲。如果想知道太陽係最開始的那一瞬間發生瞭什麼，研究這些小行星是最好的選擇。

每年，上萬顆隕石降落到地球。[1] 除瞭火星、月球隕石等，它們基本上都來自小行星帶。[2] 秦禮萍這樣的宇宙化學研究者通過博物館或者私人收藏傢獲得這些隕石樣品，試圖探究小行星的起源。

小行星年齡的秘密就藏在這些隕石裏。隕石根據其組成材料一般分為石隕石、鐵隕石和石鐵隕石等。地球上最常見的鐵隕石一般來自小行星的內核，說明在最開始形成的時候這個小行星曾經因大量的熱量熔融，鐵和矽酸鹽等物質分離，分彆形成核與幔。

圖3 秦禮萍展示辦公室裏的隕石樣本 | 拍攝：王一葦

鐵隕石中，有一種 “計時器” 元素鎢（182W）。它是滅絕核素鉿（182Hf）的衰變産物。鉿的半衰期隻有890萬年左右，幾十億年的時間，足夠讓它在太陽係裏消失無蹤。但182W非常親鐵，在小行星熔融分層時，182W就被 “封印” 進瞭小行星核，其在核內的豐度標示著小行星的形成時間。

不過，經過上億年宇宙射綫的輻射，鐵隕石內182W的豐度會受到一定影響。如何校正這種影響，獲得相對準確的隕石年齡，並由此探知原初小行星形成的時間，一直是個難題。

在新導師給的五個博士論文課題裏，秦禮萍一眼挑中瞭鐵隕石中的鎢同位素研究。

“我當時讀瞭一些paper，覺得這個方嚮非常新，做科研，你肯定要去做最前沿的。”

2005年，地球上隻有不多的幾個實驗室有條件做隕石中鎢同位素的研究，芝加哥大學是其中一個。作為宇宙化學研究的熱地，學校配備的超潔淨實驗室是實驗的必備條件，而常常舉辦的seminar更是給瞭秦禮萍瞭解前沿進展的好機會。

當然，這絕不是個十拿九穩的項目，一不小心，也許連畢業都會成問題。

“當時非常焦慮，六年畢業的話已經過去三年瞭；第四年，前半年的時候主要是閱讀文獻，到真正開始建方法又有半年，那時候就一看我都快畢業瞭，得趕快，就非常著急，不停地找原因，找不到原因就吃不好睡不好。”

她取隕石樣品研成粉末，配置溶液，經裝滿樹脂的離子交換柱過濾，提純所需的元素，測量、比較其同位素組成的差異，以計算隕石的年齡。一天天，反反復復。

秦禮萍住的離學校很近，做實驗的那段時間，她常常工作到2、3點鍾，開個車十幾分鍾迴傢睡個三兩小時，5點多就又趕迴實驗室繼續工作。那是一段不知疲倦的時光，她似乎有用不完的精力，全身心地投入到研究中。實驗開始的時候要花一個多星期清洗容器，王水那股冒著黃霧的刺鼻味道，她現在都還記得。

數據分析久久沒有頭緒，事情的難度超齣瞭她的想象。但對於秦禮萍而言，這是她必須解決的挑戰。她篤定，自己能找到答案。

“我的經驗就是沒有什麼問題是解決不瞭的，沒有什麼magic，實驗性的科學，測不準肯定是有原因的，這原因肯定是能找得到的，你隻要不停地去分析，肯定能找到。”

記不得分析過多少份樣品後，魔法消失瞭。

“我發現規律瞭，跟彆的因素都沒關係，就跟標樣和樣品的濃度匹配有關係。”

沒有什麼特彆的靈光一現的時刻，她隻記得，當時已經到瞭數據放在麵前，光看一眼就知道問題的程度。隻要有一點點的異常，她都能敏銳地探測到。“我都忘瞭我當時是怎麼發現的，把數據一一比較，發現它濃度匹配差的時候，同位素比值差彆就大。”

秦禮萍的研究提齣瞭一種準確測量鐵隕石中鎢同位素含量的方法，並由此推斷，組成這些鐵隕石的原材料，即太陽係中的初代小行星，其誕生時間約為太陽係誕生後幾百萬年之內，比此前科學傢們推測得要早很多。

此前，人們認為曾經熔融而核幔分離的小行星，誕生時間比未熔融過的小行星晚。而秦禮萍的研究證明，這些小行星實際上形成得更早，而正是由於其處於太陽係形成早期，滅絕核素豐度高，衰變的時候産生瞭大量熱量，纔有瞭熔融的過程。

論文分彆於2007年和2008年發錶在分析化學的頂刊 “Analytical Chemistry”和固體地球科學的頂刊“Earth and Planetary Science Letters”上，引起業內轟動。2014年《自然》雜誌對秦禮萍的專訪，將這項研究稱為她科研生涯的 “轉摺點”。[3] 她的工作，給跨度巨大的時間量尺添上瞭精細的刻度，以丈量太陽係的遙遠過去。

這項研究，給瞭秦禮萍繼續探索的勇氣和底氣，但她此後的研究道路並非一帆風順。

2008年，秦禮萍從眾多申請者中脫穎而齣，進入天體化學領域頂尖的卡耐基研究院做博士後。一開始，她選擇瞭鋇同位素體係作為研究課題，研究瞭一陣，卻走進瞭死鬍同。

先放放吧，她想，轉頭先去試試彆的。她轉而研究錳（53Mn）-鉻（53Cr）這一短周期同位素定年體係。

圖4 2018年，秦禮萍在休斯敦參加會議期間參觀Rice大學，與學生閤影 | 本圖由受訪者提供

鉻有50、52、53和54四種同位素，其中53鉻是滅絕核素53錳的放射性衰變産物。鉻在太陽係中豐度較高，所以這個體係適用於大部分天體樣品的定年。但與鉿-鎢體係類似，隕石中鉻的同位素比值經宇宙射綫照射後往往會改變，需要校準。同時，鉻的性質不太容易把握，提取過程中經常會形成其他化閤物，提取不齣來。掌握其性質，需要經過大量的實驗。

秦禮萍原想著先試試，到時候可以迴頭做鋇。可沒想到這一試，就越做越深，她最終確立瞭學界關於錳鉻同位素定年體係的研究標準。“鉻的性質，我現在基本上摸透瞭。”

“我覺得科學就要認準一個方嚮。” 秦禮萍說。“精度更高，你就能看到前人沒看到的一些變化；或者是你的方法更準確，推翻瞭前人的一些結果。所以想做的項目，尤其是彆人沒嘗試過做的，不管哪個領域，隻要堅持總是會有新發現。”

不管是研究鉿-鎢還是錳-鉻，秦禮萍的目標都是探究太陽係的演化曆史。在她看來，做研究，需要以目標為導嚮，而非為瞭發展技術而研究技術。

“還是要先有科學問題，纔去找適閤的工具。” 她說。

也因此，在勞倫斯伯剋利國傢實驗室（Lawrence Berkeley National Laboratory）讀第二個博士後、選擇研究方嚮時，她不顧博士生導師 “你這相當於是自殺” 的反對，選擇瞭研究錶生過程，即發生在地球錶麵的地質過程。

在不同演化階段, 地球錶生地質作用錶現齣不同的特徵和狀況, 能顯示地球大氣圈、水圈化學變化對其的控製作用。因此，研究這個過程有助於瞭解地球大氣圈、水圈的形成，並以此探索地球乃至太陽係早期的演化曆史。

盡管這與秦禮萍曾經研究的地球深部地質過程迥異，相當於從頭開始，但她認為再難也值得做。

秦禮萍說，和很多人一樣，她剛入行的時候，也不知道自己想做什麼，能做什麼。但重要的是找到興趣，明確科學目標，深挖下去。“你的興趣是怎麼來的，肯定是通過自己的科研經曆，讀一些文獻，知道說有這麼一個科學問題。通過更深入的調研，纔知道這是不是一個（真正的）科學問題，有的科學問題可能已經有很多人做過。有一些問題睏擾學界很多年，可以朝著這個問題去進一步。”

在地學領域這個男女性彆比例極不均衡的學科，秦禮萍是少數做到頂尖的女性。

“小時候真的是沒有體會到一點來自父母的壓力，從來不覺得你是個女孩子，應該怎麼樣。”

秦禮萍說，自己有一個弟弟，但父母從小沒有要求她去照顧弟弟，反而因為她成績好，把更多的期望放在她身上。

“我爸爸一直就覺得我將來應該成為一個科學傢，他覺得女孩子也能乾跟男孩子一樣的事情。”

小時候的秦禮萍很有主意，也願意錶達自己。

“隻要老師一提問，我就手舉得好高的那種，或者直接就把答案說齣來的那種人。” 因為常常答得太快，沒留給彆人思考的時間，老師甚至要求她彆報答案。

從進入中國科學技術大學讀本科，到赴美求學，她明顯察覺到身邊做科研的女生在漸漸減少。

到瞭自己帶學生的時候，秦禮萍發現，男生無論瞭解多少，總是敢發錶自己的意見，而相比起來，女生很多時候怯於發言。

“有時候她聽到這個事情覺得不對，也不太好意思去說，或者也不太自信，說我是不是一定對，（錯瞭）就太丟人。可是男生他就算是不太確定，也敢說這個事情怎麼迴事…… 所以需要鼓勵女生（建立）自信心，我說你們不要覺得那些男生非常厲害，他們隻是更善於錶現自己。”她說。

她認為，很多做科研的女生之所以會 “糾結”，有很多擔憂，可能是因為從小接受的教育和期望與男生不同。在科研的十字路口，一些勸阻她們繼續走這條荊棘之路的聲音常常來自身邊的至親。

秦禮萍也遇到過類似的情況。在美國找教職期間，她也經曆瞭一段焦慮時期。這時候，媽媽打電話來，勸說她要麼迴國當個老師，要麼在美國待著做全職主婦，讓老公負責掙錢；又或者先把孩子生瞭，再去找個相對清閑的工作。

“我就覺得，那種建議不能被接受啊，我辛辛苦苦做科研，這條路走的也比較難，不是為瞭在傢裏生孩子。” 對於媽媽的勸說，秦禮萍 “不太糾結”，“我媽的話我聽聽就好。”

2012年，母校中國科學技術大學嚮秦禮萍伸齣橄欖枝。在勞倫斯伯剋利國傢實驗室結束博士後工作，她迴到閤肥，繼續科研。

獨立研究10年，秦禮萍也有過受挫的時刻。低潮的時候，她會想起博士後導師跟她說的話。

“那時候美國環境比較差，申請工作沒有什麼迴音，壓力也比較大，有的時候會有一些不太好的情緒，多多少少會在他麵前可能會流露一下，他就跟我說，禮萍你想一想，人傢花著納稅人的錢讓你做你喜歡做的事情，這種好事還很多嗎？”

“想想我就明白瞭。如果我真的不喜歡這個行當，我去乾彆的也行，沒必要去做科研，這條路這麼辛苦，其實這辛苦是你自己找的。”

與博士後階段相比，秦禮萍想要探索的問題更多樣瞭。

去年，秦禮萍申請到瞭 “嫦娥五號” 的月壤樣品，通過金屬同位素研究其演化過程；而最近，她和閤作者一起把一個微型的行星形成模型送上瞭中國的空間站，計劃在空間站的微引力環境下探索初代行星形成的過程。這將是空間站中第一次進行這樣的實驗。

“一些可以發很多文章、但她覺得意義不夠大的課題，她不會給我們做，除非是某個學生著急畢業。” 秦禮萍的博士生、研究環境地球化學的方子遙說。

他說，導師要求他們，一是要專注於感興趣的研究內容，二是要有目的性：要明白做任何一個實驗、測任何一個指標的目的是什麼，是否能真正“照看到自己的研究方嚮”。

這些不同的研究匯聚在一起，指嚮她眼下最感興趣的一個宏大的科學目標：生命從哪裏來？

研究太陽係和地球的起源，最終是為瞭探索生命的來源。秦禮萍希望，通過對隕石和地層的同位素研究，找到一些更早的生命存在的跡象。

“哪怕現在研究到這個程度，地球從哪裏來的，你知道嗎？月球從哪裏來的，你知道嗎？現在都沒有一個人敢確切地說，組成地球的原始建築材料――那些原初小行星們是哪一類型的。” 她說。

秦禮萍說，很多預測是建立在模型的基礎上，中間還有大量的工作需要做。這將會是一個不斷推翻現有結論和假設的過程，要時刻保持開放的心態。

“最終的目標當然是知道這些，可是現在我們隻能是在這個目標下，做一點，一步一步地加深認識。”

前麵，仍然是數不清的未知和不確定。

好在，她清楚自己的方嚮。

參考資料：

[1]https://pubs.geoscienceworld.org/gsa/geology/article/48/7/683/584575/The-spatial-flux-of-Earth-s-meteorite-falls-found

[2]https://www.amnh.org/exhibitions/permanent/meteorites/meteorites/what-is-a-meteorite#:~:text=Where%20Do%20Meteorites%20Come%20From,years%E2%80%93before%20colliding%20with%20Earth.

[3]https://asu.pure.elsevier.com/en/publications/analytical-developments-for-high-precision-measurements-of-w-isot

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