秦禮萍：她有一把丈量太陽系時間的尺子 | 探索者
獲獎理由：肯定她在太陽系和行星早期演化等宇宙化學領(lǐng)域的貢獻，支持她在地月系統(tǒng)物質(zhì)來源及地球早期生命演化方向進行探索。
無論是讀博時研究太陽系演化的秘密，還是獨立后探索 “生命從哪里來的”，秦禮萍的科研歷程可以概括為兩點：專注于感興趣的問題；研究要有方向和目標，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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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系的實驗室。四周靜悄悄，只有質(zhì)譜儀偶爾發(fā)出的蜂鳴聲。她已經(jīng)熬了幾個大夜。這幾天的夜晚，每隔兩個小時，她都要起身監(jiān)測一次質(zhì)譜儀，測量樣品。機器一開動，進入穩(wěn)定狀態(tài)就不能停，要趁著狀態(tài)好，把所有樣品都做完。
秦禮萍快速掃過一行行機器得出的數(shù)據(jù)，瘦削的臉上再次浮起疑惑。幾個月了，樣品的同位素比值仍然達不到穩(wěn)定值，她搞不明白哪里出了問題。
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制在0.01‰之內(nèi)。然而，這個年代的質(zhì)譜儀測量并不那么精確，數(shù)據(jù)經(jīng)常 “飄”。影響同位素比值測試結(jié)果的因素多種多樣，秦禮萍排除了一個又一個因素，卻還是找不到答案。
她去問博士生導(dǎo)師。但導(dǎo)師什么都沒說，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，可距離研究出成果好像還隔著十萬八千里。
她面前，曾經(jīng)有過一條更好走的路。她有三年時間跟著另外一位導(dǎo)師研究地球上的巖石，探索如何通過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)師要去另一所學校，走的時候建議她，憑著現(xiàn)有成果，已經(jīng)可以畢業(yè)。四年就畢業(yè)，這對于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，加入系里另一位教授 Nicholas Douphas 的團隊，從頭開始。
圖2 中國科學技術(shù)大學教授秦禮萍，是地學領(lǐng)域少數(shù)做到頂尖的女性科學家。圖為2022年3月3日，秦禮萍在合肥的辦公室。 | 拍攝：王一葦
這個決定看似由導(dǎo)師離開的偶然事件觸發(fā)，但并非一時興起。
閱讀前沿論文的習慣和多年在領(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。當時，一些非傳統(tǒng)同位素的研究剛剛興起，發(fā)表在《自然》《科學》等頂級學術(shù)刊物的亮眼研究，常常來自這個領(lǐng)域。
“沒有一個領(lǐng)域能抵抗的了同位素研究，”秦禮萍覺得，那才是未來。“但怎么分離提純，怎么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(jīng)不存在了。例如碘129，鋁26和鐵60，由于半衰期短，它們在漫長的太陽系歷史中早已衰變成為其他元素。不過，盡管它們消失了，我們還是可以通過它的衰變產(chǎn)物了解它的蹤跡。攜帶滅絕核素衰變產(chǎn)物的隕石，就像是太陽系中的琥珀，凝結(jié)了這個星系最初的模樣。
太陽系自誕生至今已經(jīng)過去了45億年漫長的時間。在它生命的最初，一堆氣體塵埃云聚合形成行星，這個過程只用了短短的千萬年，此后，行星經(jīng)歷了漫長的演化，與其最初的形態(tài)差距甚遠，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)：它們來自原始的太陽星云。如果想知道太陽系最開始的那一瞬間發(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。地球上最常見的鐵隕石一般來自小行星的內(nèi)核，說明在最開始形成的時候這個小行星曾經(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 “計時器” 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890萬年左右，幾十億年的時間，足夠讓它在太陽系里消失無蹤。但182W非常親鐵，在小行星熔融分層時，182W就被 “封印” 進了小行星核，其在核內(nèi)的豐度標示著小行星的形成時間。
不過，經(jīng)過上億年宇宙射線的輻射，鐵隕石內(nèi)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，并由此探知原初小行星形成的時間，一直是個難題。
在新導(dǎo)師給的五個博士論文課題里，秦禮萍一眼挑中了鐵隕石中的鎢同位素研究。
“我當時讀了一些paper，覺得這個方向非常新，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，學校配備的超潔凈實驗室是實驗的必備條件，而常常舉辦的seminar更是給了秦禮萍了解前沿進展的好機會。
當然，這絕不是個十拿九穩(wěn)的項目，一不小心，也許連畢業(yè)都會成問題。
“當時非常焦慮，六年畢業(yè)的話已經(jīng)過去三年了；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(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。”
她取隕石樣品研成粉末，配置溶液，經(jīng)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(fù)復(fù)。
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點鐘，開個車十幾分鐘回家睡個三兩小時，5點多就又趕回實驗室繼續(xù)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(xiàn)在都還記得。
數(shù)據(jù)分析久久沒有頭緒，事情的難度超出了她的想象。但對于秦禮萍而言，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)驗就是沒有什么問題是解決不了的，沒有什么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，你只要不停地去分析，肯定能找到?！?/span>
記不得分析過多少份樣品后，魔法消失了。
“我發(fā)現(xiàn)規(guī)律了，跟別的因素都沒關(guān)系，就跟標樣和樣品的濃度匹配有關(guān)系?！?/span>
沒有什么特別的靈光一現(xiàn)的時刻，她只記得，當時已經(jīng)到了數(shù)據(jù)放在面前，光看一眼就知道問題的程度。只要有一點點的異常，她都能敏銳地探測到?！拔叶纪宋耶敃r是怎么發(fā)現(xiàn)的，把數(shù)據(jù)一一比較，發(fā)現(xiàn)它濃度匹配差的時候，同位素比值差別就大?！?/span>
秦禮萍的研究提出了一種準確測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，即太陽系中的初代小行星，其誕生時間約為太陽系誕生后幾百萬年之內(nèi)，比此前科學家們推測得要早很多。
此前，人們認為曾經(jīng)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，而正是由于其處于太陽系形成早期，滅絕核素豐度高，衰變的時候產(chǎn)生了大量熱量，才有了熔融的過程。
論文分別于2007年和2008年發(fā)表在分析化學的頂刊 “Analytical Chemistry ”和固體地球科學的頂刊“Earth and Planetary Science Letters”上，引起業(yè)內(nèi)轟動。2014年《自然》雜志對秦禮萍的專訪，將這項研究稱為她科研生涯的 “轉(zhuǎn)折點”。[3] 她的工作，給跨度巨大的時間量尺添上了精細的刻度，以丈量太陽系的遙遠過去。
這項研究，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順。
2008年，秦禮萍從眾多申請者中脫穎而出，進入天體化學領(lǐng)域頂尖的卡耐基研究院做博士后。一開始，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議期間參觀Rice大學，與學生合影 | 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錳的放射性衰變產(chǎn)物。鉻在太陽系中豐度較高，所以這個體系適用于大部分天體樣品的定年。但與鉿-鎢體系類似，隕石中鉻的同位素比值經(jīng)宇宙射線照射后往往會改變，需要校準。同時，鉻的性質(zhì)不太容易把握，提取過程中經(jīng)常會形成其他化合物，提取不出來。掌握其性質(zhì)，需要經(jīng)過大量的實驗。
秦禮萍原想著先試試，到時候可以回頭做鋇?？蓻]想到這一試，就越做越深，她最終確立了學界關(guān)于錳鉻同位素定年體系的研究標準?！般t的性質(zhì)，我現(xiàn)在基本上摸透了?！?/span>
“我覺得科學就要認準一個方向?！?秦禮萍說?！熬雀撸憔湍芸吹角叭藳]看到的一些變化；或者是你的方法更準確，推翻了前人的一些結(jié)果。所以想做的項目，尤其是別人沒嘗試過做的，不管哪個領(lǐng)域，只要堅持總是會有新發(fā)現(xiàn)。”
不管是研究鉿-鎢還是錳-鉻，秦禮萍的目標都是探究太陽系的演化歷史。在她看來，做研究，需要以目標為導(dǎo)向，而非為了發(fā)展技術(shù)而研究技術(shù)。
“還是要先有科學問題，才去找適合的工具?！?她說。
也因此，在勞倫斯伯克利國家實驗室（Lawrence Berkeley National Laboratory）讀第二個博士后、選擇研究方向時，她不顧博士生導(dǎo)師 “你這相當于是自殺” 的反對，選擇了研究表生過程，即發(fā)生在地球表面的地質(zhì)過程。
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、水圈化學變化對其的控制作用。因此，研究這個過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)過程迥異，相當于從頭開始，但她認為再難也值得做。
秦禮萍說，和很多人一樣，她剛?cè)胄械臅r候，也不知道自己想做什么，能做什么。但重要的是找到興趣，明確科學目標，深挖下去?！澳愕呐d趣是怎么來的，肯定是通過自己的科研經(jīng)歷，讀一些文獻，知道說有這么一個科學問題。通過更深入的調(diào)研，才知道這是不是一個（真正的）科學問題，有的科學問題可能已經(jīng)有很多人做過。有一些問題困擾學界很多年，可以朝著這個問題去進一步?！?/span>
在地學領(lǐng)域這個男女性別比例極不均衡的學科，秦禮萍是少數(shù)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(yīng)該怎么樣?！?/span>
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(yīng)該成為一個科學家，他覺得女孩子也能干跟男孩子一樣的事情。”
小時候的秦禮萍很有主意，也愿意表達自己。
“只要老師一提問，我就手舉得好高的那種，或者直接就把答案說出來的那種人。” 因為常常答得太快，沒留給別人思考的時間，老師甚至要求她別報答案。
從進入中國科學技術(shù)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。
到了自己帶學生的時候，秦禮萍發(fā)現(xiàn)，男生無論了解多少，總是敢發(fā)表自己的意見，而相比起來，女生很多時候怯于發(fā)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，（錯了）就太丟人?？墒悄猩退闶遣惶_定，也敢說這個事情怎么回事…… 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，他們只是更善于表現(xiàn)自己。”她說。
她認為，很多做科研的女生之所以會 “糾結(jié)”，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(xù)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(jīng)歷了一段焦慮時期。這時候，媽媽打電話來，勸說她要么回國當個老師，要么在美國待著做全職主婦，讓老公負責掙錢；又或者先把孩子生了，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，不是為了在家里生孩子?！?對于媽媽的勸說，秦禮萍 “不太糾結(jié)”，“我媽的話我聽聽就好。”
2012年，母校中國科學技術(shù)大學向秦禮萍伸出橄欖枝。在勞倫斯伯克利國家實驗室結(jié)束博士后工作，她回到合肥，繼續(xù)科研。
獨立研究10年，秦禮萍也有過受挫的時刻。低潮的時候，她會想起博士后導(dǎo)師跟她說的話。
“那時候美國環(huán)境比較差，申請工作沒有什么回音，壓力也比較大，有的時候會有一些不太好的情緒，多多少少會在他面前可能會流露一下，他就跟我說，禮萍你想一想，人家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？”
“想想我就明白了。如果我真的不喜歡這個行當，我去干別的也行，沒必要去做科研，這條路這么辛苦，其實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題更多樣了。
去年，秦禮萍申請到了 “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，她和合作者一起把一個微型的行星形成模型送上了中國的空間站，計劃在空間站的微引力環(huán)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(fā)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(yè)?！?秦禮萍的博士生、研究環(huán)境地球化學的方子遙說。
他說，導(dǎo)師要求他們，一是要專注于感興趣的研究內(nèi)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宏大的科學目標：生命從哪里來？
研究太陽系和地球的起源，最終是為了探索生命的來源。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(xiàn)在研究到這個程度，地球從哪里來的，你知道嗎？月球從哪里來的，你知道嗎？現(xiàn)在都沒有一個人敢確切地說，組成地球的原始建筑材料——那些原初小行星們是哪一類型的?！?她說。
秦禮萍說，很多預(yù)測是建立在模型的基礎(chǔ)上，中間還有大量的工作需要做。這將會是一個不斷推翻現(xiàn)有結(jié)論和假設(shè)的過程，要時刻保持開放的心態(tài)。
“最終的目標當然是知道這些，可是現(xiàn)在我們只能是在這個目標下，做一點，一步一步地加深認識?！?/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
