秦禮萍：她有一把丈量太陽(yáng)系時(shí)間的尺子 | 探索者
獲獎(jiǎng)理由：肯定她在太陽(yáng)系和行星早期演化等宇宙化學(xué)領(lǐng)域的貢獻(xiàn)，支持她在地月系統(tǒng)物質(zhì)來(lái)源及地球早期生命演化方向進(jìn)行探索。
無(wú)論是讀博時(shí)研究太陽(yáng)系演化的秘密，還是獨(dú)立后探索 “生命從哪里來(lái)的”，秦禮萍的科研歷程可以概括為兩點(diǎn)：專(zhuān)注于感興趣的問(wèn)題；研究要有方向和目標(biāo)，任何一個(gè)實(shí)驗(yàn)、一個(gè)指標(biāo)都有其目的。
撰文 | 王一葦
責(zé)編 | 陳曉雪
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2005年的一個(gè)夜晚，27歲的秦禮萍獨(dú)自待在芝加哥大學(xué)地球物理系的實(shí)驗(yàn)室。四周靜悄悄，只有質(zhì)譜儀偶爾發(fā)出的蜂鳴聲。她已經(jīng)熬了幾個(gè)大夜。這幾天的夜晚，每隔兩個(gè)小時(shí)，她都要起身監(jiān)測(cè)一次質(zhì)譜儀，測(cè)量樣品。機(jī)器一開(kāi)動(dòng)，進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)就不能停，要趁著狀態(tài)好，把所有樣品都做完。
秦禮萍快速掃過(guò)一行行機(jī)器得出的數(shù)據(jù)，瘦削的臉上再次浮起疑惑。幾個(gè)月了，樣品的同位素比值仍然達(dá)不到穩(wěn)定值，她搞不明白哪里出了問(wèn)題。
實(shí)驗(yàn)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制在0.01‰之內(nèi)。然而，這個(gè)年代的質(zhì)譜儀測(cè)量并不那么精確，數(shù)據(jù)經(jīng)常 “飄”。影響同位素比值測(cè)試結(jié)果的因素多種多樣，秦禮萍排除了一個(gè)又一個(gè)因素，卻還是找不到答案。
她去問(wèn)博士生導(dǎo)師。但導(dǎo)師什么都沒(méi)說(shuō)，扔下一句 “I don’t know more than you（我知道的不比你多）”，讓她回去繼續(xù)做實(shí)驗(yàn)。
秦禮萍感到前所未有的焦慮。這是她來(lái)美讀博的第四年，可距離研究出成果好像還隔著十萬(wàn)八千里。
她面前，曾經(jīng)有過(guò)一條更好走的路。她有三年時(shí)間跟著另外一位導(dǎo)師研究地球上的巖石，探索如何通過(guò)夏威夷火山熔巖的鐵錳元素比值解析地球地幔的構(gòu)造，論文完成的很順利。第三年，導(dǎo)師要去另一所學(xué)校，走的時(shí)候建議她，憑著現(xiàn)有成果，已經(jīng)可以畢業(yè)。四年就畢業(yè)，這對(duì)于博士而言幾乎是夢(mèng)寐以求的。但是，思慮再三，她決定拒絕這個(gè)誘人的提議，加入系里另一位教授 Nicholas Douphas 的團(tuán)隊(duì)，從頭開(kāi)始。
圖2 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授秦禮萍，是地學(xué)領(lǐng)域少數(shù)做到頂尖的女性科學(xué)家。圖為2022年3月3日，秦禮萍在合肥的辦公室。 | 拍攝：王一葦
這個(gè)決定看似由導(dǎo)師離開(kāi)的偶然事件觸發(fā)，但并非一時(shí)興起。
閱讀前沿論文的習(xí)慣和多年在領(lǐng)域內(nèi)的浸淫，讓她敏銳地感到，自己目前從事的傳統(tǒng)元素研究發(fā)展前景有限。當(dāng)時(shí)，一些非傳統(tǒng)同位素的研究剛剛興起，發(fā)表在《自然》《科學(xué)》等頂級(jí)學(xué)術(shù)刊物的亮眼研究，常常來(lái)自這個(gè)領(lǐng)域。
“沒(méi)有一個(gè)領(lǐng)域能抵抗的了同位素研究，”秦禮萍覺(jué)得，那才是未來(lái)?！暗趺捶蛛x提純，怎么做高精度的同位素比值，這些我都沒(méi)學(xué)到。（我）覺(jué)得我自己沒(méi)有 prepare（準(zhǔn)備好），還有好多東西沒(méi)學(xué)?！?/span>
短周期同位素又叫滅絕核素?！皽缃^” 的意思，就是這些同位素形式的元素在今天的世界中已經(jīng)不存在了。例如碘129，鋁26和鐵60，由于半衰期短，它們?cè)诼L(zhǎng)的太陽(yáng)系歷史中早已衰變成為其他元素。不過(guò)，盡管它們消失了，我們還是可以通過(guò)它的衰變產(chǎn)物了解它的蹤跡。攜帶滅絕核素衰變產(chǎn)物的隕石，就像是太陽(yáng)系中的琥珀，凝結(jié)了這個(gè)星系最初的模樣。
太陽(yáng)系自誕生至今已經(jīng)過(guò)去了45億年漫長(zhǎng)的時(shí)間。在它生命的最初，一堆氣體塵埃云聚合形成行星，這個(gè)過(guò)程只用了短短的千萬(wàn)年，此后，行星經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的演化，與其最初的形態(tài)差距甚遠(yuǎn)，而只有火星、木星之間的小行星帶和海王星外側(cè)的柯伊伯帶上的小行星們，仍然保留了原初形態(tài)：它們來(lái)自原始的太陽(yáng)星云。如果想知道太陽(yáng)系最開(kāi)始的那一瞬間發(fā)生了什么，研究這些小行星是最好的選擇。
每年，上萬(wàn)顆隕石降落到地球。[1] 除了火星、月球隕石等，它們基本上都來(lái)自小行星帶。[2] 秦禮萍這樣的宇宙化學(xué)研究者通過(guò)博物館或者私人收藏家獲得這些隕石樣品，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里。隕石根據(jù)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(jiàn)的鐵隕石一般來(lái)自小行星的內(nèi)核，說(shuō)明在最開(kāi)始形成的時(shí)候這個(gè)小行星曾經(jīng)因大量的熱量熔融，鐵和硅酸鹽等物質(zhì)分離，分別形成核與幔。
圖3 秦禮萍展示辦公室里的隕石樣本 | 拍攝：王一葦
鐵隕石中，有一種 “計(jì)時(shí)器” 元素鎢（182W）。它是滅絕核素鉿（182Hf）的衰變產(chǎn)物。鉿的半衰期只有890萬(wàn)年左右，幾十億年的時(shí)間，足夠讓它在太陽(yáng)系里消失無(wú)蹤。但182W非常親鐵，在小行星熔融分層時(shí)，182W就被 “封印” 進(jìn)了小行星核，其在核內(nèi)的豐度標(biāo)示著小行星的形成時(shí)間。
不過(guò)，經(jīng)過(guò)上億年宇宙射線(xiàn)的輻射，鐵隕石內(nèi)182W的豐度會(huì)受到一定影響。如何校正這種影響，獲得相對(duì)準(zhǔn)確的隕石年齡，并由此探知原初小行星形成的時(shí)間，一直是個(gè)難題。
在新導(dǎo)師給的五個(gè)博士論文課題里，秦禮萍一眼挑中了鐵隕石中的鎢同位素研究。
“我當(dāng)時(shí)讀了一些paper，覺(jué)得這個(gè)方向非常新，做科研，你肯定要去做最前沿的?！?/span>
2005年，地球上只有不多的幾個(gè)實(shí)驗(yàn)室有條件做隕石中鎢同位素的研究，芝加哥大學(xué)是其中一個(gè)。作為宇宙化學(xué)研究的熱地，學(xué)校配備的超潔凈實(shí)驗(yàn)室是實(shí)驗(yàn)的必備條件，而常常舉辦的seminar更是給了秦禮萍了解前沿進(jìn)展的好機(jī)會(huì)。
當(dāng)然，這絕不是個(gè)十拿九穩(wěn)的項(xiàng)目，一不小心，也許連畢業(yè)都會(huì)成問(wèn)題。
“當(dāng)時(shí)非常焦慮，六年畢業(yè)的話(huà)已經(jīng)過(guò)去三年了；第四年，前半年的時(shí)候主要是閱讀文獻(xiàn)，到真正開(kāi)始建方法又有半年，那時(shí)候就一看我都快畢業(yè)了，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?！?/span>
她取隕石樣品研成粉末，配置溶液，經(jīng)裝滿(mǎn)樹(shù)脂的離子交換柱過(guò)濾，提純所需的元素，測(cè)量、比較其同位素組成的差異，以計(jì)算隕石的年齡。一天天，反反復(fù)復(fù)。
秦禮萍住的離學(xué)校很近，做實(shí)驗(yàn)的那段時(shí)間，她常常工作到2、3點(diǎn)鐘，開(kāi)個(gè)車(chē)十幾分鐘回家睡個(gè)三兩小時(shí)，5點(diǎn)多就又趕回實(shí)驗(yàn)室繼續(xù)工作。那是一段不知疲倦的時(shí)光，她似乎有用不完的精力，全身心地投入到研究中。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始的時(shí)候要花一個(gè)多星期清洗容器，王水那股冒著黃霧的刺鼻味道，她現(xiàn)在都還記得。
數(shù)據(jù)分析久久沒(méi)有頭緒，事情的難度超出了她的想象。但對(duì)于秦禮萍而言，這是她必須解決的挑戰(zhàn)。她篤定，自己能找到答案。
“我的經(jīng)驗(yàn)就是沒(méi)有什么問(wèn)題是解決不了的，沒(méi)有什么magic，實(shí)驗(yàn)性的科學(xué)，測(cè)不準(zhǔn)肯定是有原因的，這原因肯定是能找得到的，你只要不停地去分析，肯定能找到?！?/span>
記不得分析過(guò)多少份樣品后，魔法消失了。
“我發(fā)現(xiàn)規(guī)律了，跟別的因素都沒(méi)關(guān)系，就跟標(biāo)樣和樣品的濃度匹配有關(guān)系?！?/span>
沒(méi)有什么特別的靈光一現(xiàn)的時(shí)刻，她只記得，當(dāng)時(shí)已經(jīng)到了數(shù)據(jù)放在面前，光看一眼就知道問(wèn)題的程度。只要有一點(diǎn)點(diǎn)的異常，她都能敏銳地探測(cè)到?！拔叶纪宋耶?dāng)時(shí)是怎么發(fā)現(xiàn)的，把數(shù)據(jù)一一比較，發(fā)現(xiàn)它濃度匹配差的時(shí)候，同位素比值差別就大。”
秦禮萍的研究提出了一種準(zhǔn)確測(cè)量鐵隕石中鎢同位素含量的方法，并由此推斷，組成這些鐵隕石的原材料，即太陽(yáng)系中的初代小行星，其誕生時(shí)間約為太陽(yáng)系誕生后幾百萬(wàn)年之內(nèi)，比此前科學(xué)家們推測(cè)得要早很多。
此前，人們認(rèn)為曾經(jīng)熔融而核幔分離的小行星，誕生時(shí)間比未熔融過(guò)的小行星晚。而秦禮萍的研究證明，這些小行星實(shí)際上形成得更早，而正是由于其處于太陽(yáng)系形成早期，滅絕核素豐度高，衰變的時(shí)候產(chǎn)生了大量熱量，才有了熔融的過(guò)程。
論文分別于2007年和2008年發(fā)表在分析化學(xué)的頂刊 “Analytical Chemistry ”和固體地球科學(xué)的頂刊“Earth and Planetary Science Letters”上，引起業(yè)內(nèi)轟動(dòng)。2014年《自然》雜志對(duì)秦禮萍的專(zhuān)訪(fǎng)，將這項(xiàng)研究稱(chēng)為她科研生涯的 “轉(zhuǎn)折點(diǎn)”。[3] 她的工作，給跨度巨大的時(shí)間量尺添上了精細(xì)的刻度，以丈量太陽(yáng)系的遙遠(yuǎn)過(guò)去。
這項(xiàng)研究，給了秦禮萍繼續(xù)探索的勇氣和底氣，但她此后的研究道路并非一帆風(fēng)順。
2008年，秦禮萍從眾多申請(qǐng)者中脫穎而出，進(jìn)入天體化學(xué)領(lǐng)域頂尖的卡耐基研究院做博士后。一開(kāi)始，她選擇了鋇同位素體系作為研究課題，研究了一陣，卻走進(jìn)了死胡同。
先放放吧，她想，轉(zhuǎn)頭先去試試別的。她轉(zhuǎn)而研究錳（53Mn）-鉻（53Cr）這一短周期同位素定年體系。
圖4 2018年，秦禮萍在休斯敦參加會(huì)議期間參觀(guān)Rice大學(xué)，與學(xué)生合影 | 本圖由受訪(fǎng)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錳的放射性衰變產(chǎn)物。鉻在太陽(yáng)系中豐度較高，所以這個(gè)體系適用于大部分天體樣品的定年。但與鉿-鎢體系類(lèi)似，隕石中鉻的同位素比值經(jīng)宇宙射線(xiàn)照射后往往會(huì)改變，需要校準(zhǔn)。同時(shí)，鉻的性質(zhì)不太容易把握，提取過(guò)程中經(jīng)常會(huì)形成其他化合物，提取不出來(lái)。掌握其性質(zhì)，需要經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)。
秦禮萍原想著先試試，到時(shí)候可以回頭做鋇?？蓻](méi)想到這一試，就越做越深，她最終確立了學(xué)界關(guān)于錳鉻同位素定年體系的研究標(biāo)準(zhǔn)?！般t的性質(zhì)，我現(xiàn)在基本上摸透了?！?/span>
“我覺(jué)得科學(xué)就要認(rèn)準(zhǔn)一個(gè)方向?！?秦禮萍說(shuō)?！熬雀撸憔湍芸吹角叭藳](méi)看到的一些變化；或者是你的方法更準(zhǔn)確，推翻了前人的一些結(jié)果。所以想做的項(xiàng)目，尤其是別人沒(méi)嘗試過(guò)做的，不管哪個(gè)領(lǐng)域，只要堅(jiān)持總是會(huì)有新發(fā)現(xiàn)?！?/span>
不管是研究鉿-鎢還是錳-鉻，秦禮萍的目標(biāo)都是探究太陽(yáng)系的演化歷史。在她看來(lái)，做研究，需要以目標(biāo)為導(dǎo)向，而非為了發(fā)展技術(shù)而研究技術(shù)。
“還是要先有科學(xué)問(wèn)題，才去找適合的工具。” 她說(shuō)。
也因此，在勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Lawrence Berkeley National Laboratory）讀第二個(gè)博士后、選擇研究方向時(shí)，她不顧博士生導(dǎo)師 “你這相當(dāng)于是自殺” 的反對(duì)，選擇了研究表生過(guò)程，即發(fā)生在地球表面的地質(zhì)過(guò)程。
在不同演化階段, 地球表生地質(zhì)作用表現(xiàn)出不同的特征和狀況, 能顯示地球大氣圈、水圈化學(xué)變化對(duì)其的控制作用。因此，研究這個(gè)過(guò)程有助于了解地球大氣圈、水圈的形成，并以此探索地球乃至太陽(yáng)系早期的演化歷史。
盡管這與秦禮萍曾經(jīng)研究的地球深部地質(zhì)過(guò)程迥異，相當(dāng)于從頭開(kāi)始，但她認(rèn)為再難也值得做。
秦禮萍說(shuō)，和很多人一樣，她剛?cè)胄械臅r(shí)候，也不知道自己想做什么，能做什么。但重要的是找到興趣，明確科學(xué)目標(biāo)，深挖下去?！澳愕呐d趣是怎么來(lái)的，肯定是通過(guò)自己的科研經(jīng)歷，讀一些文獻(xiàn)，知道說(shuō)有這么一個(gè)科學(xué)問(wèn)題。通過(guò)更深入的調(diào)研，才知道這是不是一個(gè)（真正的）科學(xué)問(wèn)題，有的科學(xué)問(wèn)題可能已經(jīng)有很多人做過(guò)。有一些問(wèn)題困擾學(xué)界很多年，可以朝著這個(gè)問(wèn)題去進(jìn)一步。”
在地學(xué)領(lǐng)域這個(gè)男女性別比例極不均衡的學(xué)科，秦禮萍是少數(shù)做到頂尖的女性。
“小時(shí)候真的是沒(méi)有體會(huì)到一點(diǎn)來(lái)自父母的壓力，從來(lái)不覺(jué)得你是個(gè)女孩子，應(yīng)該怎么樣?！?/span>
秦禮萍說(shuō)，自己有一個(gè)弟弟，但父母從小沒(méi)有要求她去照顧弟弟，反而因?yàn)樗煽?jī)好，把更多的期望放在她身上。
“我爸爸一直就覺(jué)得我將來(lái)應(yīng)該成為一個(gè)科學(xué)家，他覺(jué)得女孩子也能干跟男孩子一樣的事情?！?nbsp;
小時(shí)候的秦禮萍很有主意，也愿意表達(dá)自己。
“只要老師一提問(wèn)，我就手舉得好高的那種，或者直接就把答案說(shuō)出來(lái)的那種人。” 因?yàn)槌３４鸬锰?，沒(méi)留給別人思考的時(shí)間，老師甚至要求她別報(bào)答案。
從進(jìn)入中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)讀本科，到赴美求學(xué)，她明顯察覺(jué)到身邊做科研的女生在漸漸減少。
到了自己帶學(xué)生的時(shí)候，秦禮萍發(fā)現(xiàn)，男生無(wú)論了解多少，總是敢發(fā)表自己的意見(jiàn)，而相比起來(lái)，女生很多時(shí)候怯于發(fā)言。
“有時(shí)候她聽(tīng)到這個(gè)事情覺(jué)得不對(duì)，也不太好意思去說(shuō)，或者也不太自信，說(shuō)我是不是一定對(duì)，（錯(cuò)了）就太丟人?？墒悄猩退闶遣惶_定，也敢說(shuō)這個(gè)事情怎么回事…… 所以需要鼓勵(lì)女生（建立）自信心，我說(shuō)你們不要覺(jué)得那些男生非常厲害，他們只是更善于表現(xiàn)自己。”她說(shuō)。
她認(rèn)為，很多做科研的女生之所以會(huì) “糾結(jié)”，有很多擔(dān)憂(yōu)，可能是因?yàn)閺男〗邮艿慕逃推谕c男生不同。在科研的十字路口，一些勸阻她們繼續(xù)走這條荊棘之路的聲音常常來(lái)自身邊的至親。
秦禮萍也遇到過(guò)類(lèi)似的情況。在美國(guó)找教職期間，她也經(jīng)歷了一段焦慮時(shí)期。這時(shí)候，媽媽打電話(huà)來(lái)，勸說(shuō)她要么回國(guó)當(dāng)個(gè)老師，要么在美國(guó)待著做全職主婦，讓老公負(fù)責(zé)掙錢(qián)；又或者先把孩子生了，再去找個(gè)相對(duì)清閑的工作。
“我就覺(jué)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，不是為了在家里生孩子。” 對(duì)于媽媽的勸說(shuō)，秦禮萍 “不太糾結(jié)”，“我媽的話(huà)我聽(tīng)聽(tīng)就好?！?/span>
2012年，母校中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)向秦禮萍伸出橄欖枝。在勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室結(jié)束博士后工作，她回到合肥，繼續(xù)科研。
獨(dú)立研究10年，秦禮萍也有過(guò)受挫的時(shí)刻。低潮的時(shí)候，她會(huì)想起博士后導(dǎo)師跟她說(shuō)的話(huà)。
“那時(shí)候美國(guó)環(huán)境比較差，申請(qǐng)工作沒(méi)有什么回音，壓力也比較大，有的時(shí)候會(huì)有一些不太好的情緒，多多少少會(huì)在他面前可能會(huì)流露一下，他就跟我說(shuō)，禮萍你想一想，人家花著納稅人的錢(qián)讓你做你喜歡做的事情，這種好事還很多嗎？”
“想想我就明白了。如果我真的不喜歡這個(gè)行當(dāng)，我去干別的也行，沒(méi)必要去做科研，這條路這么辛苦，其實(shí)這辛苦是你自己找的?！?/span>
與博士后階段相比，秦禮萍想要探索的問(wèn)題更多樣了。
去年，秦禮萍申請(qǐng)到了 “嫦娥五號(hào)” 的月壤樣品，通過(guò)金屬同位素研究其演化過(guò)程；而最近，她和合作者一起把一個(gè)微型的行星形成模型送上了中國(guó)的空間站，計(jì)劃在空間站的微引力環(huán)境下探索初代行星形成的過(guò)程。這將是空間站中第一次進(jìn)行這樣的實(shí)驗(yàn)。
“一些可以發(fā)很多文章、但她覺(jué)得意義不夠大的課題，她不會(huì)給我們做，除非是某個(gè)學(xué)生著急畢業(yè)?！?秦禮萍的博士生、研究環(huán)境地球化學(xué)的方子遙說(shuō)。
他說(shuō)，導(dǎo)師要求他們，一是要專(zhuān)注于感興趣的研究?jī)?nèi)容，二是要有目的性：要明白做任何一個(gè)實(shí)驗(yàn)、測(cè)任何一個(gè)指標(biāo)的目的是什么，是否能真正“照看到自己的研究方向”。
這些不同的研究匯聚在一起，指向她眼下最感興趣的一個(gè)宏大的科學(xué)目標(biāo)：生命從哪里來(lái)？
研究太陽(yáng)系和地球的起源，最終是為了探索生命的來(lái)源。秦禮萍希望，通過(guò)對(duì)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(xiàn)在研究到這個(gè)程度，地球從哪里來(lái)的，你知道嗎？月球從哪里來(lái)的，你知道嗎？現(xiàn)在都沒(méi)有一個(gè)人敢確切地說(shuō)，組成地球的原始建筑材料——那些原初小行星們是哪一類(lèi)型的?！?她說(shuō)。
秦禮萍說(shuō)，很多預(yù)測(cè)是建立在模型的基礎(chǔ)上，中間還有大量的工作需要做。這將會(huì)是一個(gè)不斷推翻現(xiàn)有結(jié)論和假設(shè)的過(guò)程，要時(shí)刻保持開(kāi)放的心態(tài)。
“最終的目標(biāo)當(dāng)然是知道這些，可是現(xiàn)在我們只能是在這個(gè)目標(biāo)下，做一點(diǎn)，一步一步地加深認(rèn)識(shí)?！?/span>
前面，仍然是數(shù)不清的未知和不確定。
好在，她清楚自己的方向。
制版編輯 | 姜絲鴨
