人類的第壹次核爆 造出了"不可能出現"的物質
1945年7月16日凌晨5點29分，壹道強光穿透了美國新墨西哥州沙漠的黎明——這是人類歷史上的第壹次原子彈爆炸實驗，代號“叁位壹體”（Trinity）。
倒計時歸零，火球升起，熱浪和沖擊波向外推開。幾拾秒後，氣浪抵達觀測點，物理學家恩裡科·費米（Enrico Fermi）松開手中的幾片小紙片，看它們在空中被吹偏了多遠。他想用這種方法，估算人類的第壹次核爆釋放了多少能量。
費米很快得出了自己的答案：這場爆炸釋放了大約相當於1萬噸TNT爆炸的能量。後來，更精確的估算顯示，叁位壹體實驗的能量釋放約為2.1萬噸TNT當量。無論是哪個數字，都已經足夠徹底扭曲現場的任何物質結構。爆炸現場的金屬塔架、周圍的電纜、儀器、甚至砂礫都在極端高溫和沖擊下熔化，最終混合在壹起，形成了壹片玻璃態物質。
1945年9月，《時代》（Time）雜志在報道中寫道，現場像是“壹片碧玉湖泊”，全是綠色、灰色、黑色，甚至紅色的玻璃。今天，這些玻璃被稱為阿拉莫戈多玻璃，或是叁位壹體石（trinitite）。
這些玻璃的主要成分來自被熔化的砂岩，尤其是其中的長石和石英——它們的主要成分就是硅酸鹽和贰氧化硅。但其中還包含了第壹顆原子彈的熔融碎片、支撐原子彈的高塔，以及諸多傳感器和線纜的成分。研究人員推測，深綠色、灰色和黑色的玻璃，可能含有不同濃度的鋼架材料，而紅色的玻璃則融合了銅制電線。
直到今天，這場爆炸依然能給我們帶來新的發現。最近，壹項發表於《美國科學院院刊》（PNAS）的研究指出，科學家在紅色的叁位壹體石中發現了壹種全新的晶體。如果沒有這次核爆，它可能不會存在於地球上。
圖片來源：Samat Jain/wikipedia
圖片來源：Shaddack/wikipedia, CC BY 3.0
“不存在”的結構
這並不是科學家第壹次在叁位壹體石中發現全新結構。早在2021年，同壹個研究團隊就曾在這些紅色玻璃中發現了壹度被認為“不可能存在”的材料——准晶。
紅色叁位壹體石（圖片來源：原論文）
在18世紀的壹天，法國的牧師和礦物學家勒內-朱斯特·阿維（René Just Haüy）失手打碎了壹位富商的方解石礦物標本。當他彎腰撿起破碎的礦物碎片時，卻意外地注意到，這塊標本破碎的表面全都光滑整齊，而且每壹塊碎片的切面全都呈現出同樣的角度，構成了壹個個小小的菱面體。
阿維能想到最簡單的解釋，就是方解石是由壹些基本的模塊組成的，每壹個小模塊都是菱面體的形狀。而這壹發現，最終促成了晶體學的誕生。今天，我們將阿維猜測的這些“基本模塊”稱為“晶格”。如果你在腦海中，將這些晶格像堆積木壹樣，壹個挨壹個地整齊排列在壹起，就形成了晶體。正是這套微觀框架，決定了礦物在宏觀世界中的許多性質，比如硬度、彈性、導電性等等。
在本科階段學習礦物學與晶體學這門課的時候，我們必做的功課之壹就是記住拾幾種常見的晶格結構。這並不需要死記硬背，因為晶體學已經將晶格的對稱性總結為壹重、贰重、叁重、肆重和六重。然而，還有壹些對稱性，比如伍重對稱性壹度被認為不可能存在，對應的物質也被稱為“准晶”。
贰維准晶結構，具有與晶體相似的有序排列，但不具有平移對稱性（圖片來源：wikipedia）
這裡藏著巨大的差別。因為晶體中的原子團會以規律的間隔重復出現，然而在准晶中，不同原子團會以不同的間隔重復出現。換句話說，如果你切下來壹塊晶體，它總能平移到其他地方。然而在准晶中，雖然原子排列依然有序，但它們不會像晶體那樣，能夠通過簡單的平移相互拼接。
1982年，以色列海法理工學院的材料學家丹尼爾·謝希特曼（Daniel Shechtman）首次在壹種合金中發現了這種“不可能”的對稱性，它是壹組贰拾面體，具有伍重對稱性。多年後，普林斯頓大學的理論物理學家保羅·斯坦哈特（Paul Steinhardt）和同事在東西伯利亞堪察加半島的壹塊隕石碎片中，首次發現了自然產生的正贰拾面體，可能是在太陽系形成早期，由兩顆小行星相撞形成的。因此，斯坦哈特和同事開始好奇，核爆產生的瞬間高溫和高壓，是否也可能產生准晶。
2021年，他們的研究順利發表於《美國科學院院刊》（PNAS），在叁位壹體石中發現了准晶。這種准晶的對稱方式與正贰拾面體相同，化學式為Si₆₁Cu₃₀Ca₇Fe₂，也是已知最古老的人造准晶。
圖片來源：原論文
我們並不能准確知道，這種准晶為何會出現在叁位壹體石中，但我們知道的是，准晶的形成需要伴隨極端高溫和高壓，而這場核爆實驗提供了絕佳的機會。
新晶體
現在，這些鮮紅的玻璃又帶來了另壹重驚喜。除了准晶之外，斯坦哈特和同事又在其中發現了壹種籠形包合物（Clathrate）。這是壹些由硅原子構成的“籠子”，籠子裡還包裹著單個鈣原子，晶體中還含有微量的銅和鐵元素。
圖片來源：原論文
在自然條件下，籠形包合物極為罕見。研究者提出，在叁位壹體實驗期間，曾經達成過壹些條件：極端的沖擊、超過1500攝氏度的溫度，以及5~8吉帕斯卡的壓強。更重要的是，這個條件只存在了短短壹瞬，隨後無論是溫度還是壓強，都開始迅速衰減。
整個過程類似手工燒制玻璃，急劇的變化伴隨著快速冷卻，使得原子可以排列成異常的結構，並且立刻被固定在對應的位置。正如研究團隊在論文中所寫的，最終形成了“常規合成方法無法獲得的固態相”。
更有趣的是，這種籠形晶體與2021年發現的准晶來自同壹塊樣本，成分也有相似之處。研究者起初懷疑，准晶或許就是從這種籠形結構轉變而來。然而進壹步建模研究顯示，這塊樣品中的銅含量過高，很難實現這樣的轉變。
換句話說，在同樣的極端條件下，由相同的材料出發，在同壹份樣本中，獨立生成了兩種截然不同的結構。
對研究者來說，這些事件就像是壹場巨大的實驗，“這項工作凸顯了罕見的高能時間，例如核爆、雷擊和超高速撞擊如何成為天然的實驗室，”論文中寫道，“這會產生意想不到的晶體，”並將那壹瞬間的沖擊封存在小小的晶格中。
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還沒人說話啊，我想來說幾句
倒計時歸零，火球升起，熱浪和沖擊波向外推開。幾拾秒後，氣浪抵達觀測點，物理學家恩裡科·費米（Enrico Fermi）松開手中的幾片小紙片，看它們在空中被吹偏了多遠。他想用這種方法，估算人類的第壹次核爆釋放了多少能量。
費米很快得出了自己的答案：這場爆炸釋放了大約相當於1萬噸TNT爆炸的能量。後來，更精確的估算顯示，叁位壹體實驗的能量釋放約為2.1萬噸TNT當量。無論是哪個數字，都已經足夠徹底扭曲現場的任何物質結構。爆炸現場的金屬塔架、周圍的電纜、儀器、甚至砂礫都在極端高溫和沖擊下熔化，最終混合在壹起，形成了壹片玻璃態物質。
1945年9月，《時代》（Time）雜志在報道中寫道，現場像是“壹片碧玉湖泊”，全是綠色、灰色、黑色，甚至紅色的玻璃。今天，這些玻璃被稱為阿拉莫戈多玻璃，或是叁位壹體石（trinitite）。
這些玻璃的主要成分來自被熔化的砂岩，尤其是其中的長石和石英——它們的主要成分就是硅酸鹽和贰氧化硅。但其中還包含了第壹顆原子彈的熔融碎片、支撐原子彈的高塔，以及諸多傳感器和線纜的成分。研究人員推測，深綠色、灰色和黑色的玻璃，可能含有不同濃度的鋼架材料，而紅色的玻璃則融合了銅制電線。
直到今天，這場爆炸依然能給我們帶來新的發現。最近，壹項發表於《美國科學院院刊》（PNAS）的研究指出，科學家在紅色的叁位壹體石中發現了壹種全新的晶體。如果沒有這次核爆，它可能不會存在於地球上。
圖片來源：Samat Jain/wikipedia
圖片來源：Shaddack/wikipedia, CC BY 3.0
“不存在”的結構
這並不是科學家第壹次在叁位壹體石中發現全新結構。早在2021年，同壹個研究團隊就曾在這些紅色玻璃中發現了壹度被認為“不可能存在”的材料——准晶。
紅色叁位壹體石（圖片來源：原論文）
在18世紀的壹天，法國的牧師和礦物學家勒內-朱斯特·阿維（René Just Haüy）失手打碎了壹位富商的方解石礦物標本。當他彎腰撿起破碎的礦物碎片時，卻意外地注意到，這塊標本破碎的表面全都光滑整齊，而且每壹塊碎片的切面全都呈現出同樣的角度，構成了壹個個小小的菱面體。
阿維能想到最簡單的解釋，就是方解石是由壹些基本的模塊組成的，每壹個小模塊都是菱面體的形狀。而這壹發現，最終促成了晶體學的誕生。今天，我們將阿維猜測的這些“基本模塊”稱為“晶格”。如果你在腦海中，將這些晶格像堆積木壹樣，壹個挨壹個地整齊排列在壹起，就形成了晶體。正是這套微觀框架，決定了礦物在宏觀世界中的許多性質，比如硬度、彈性、導電性等等。
在本科階段學習礦物學與晶體學這門課的時候，我們必做的功課之壹就是記住拾幾種常見的晶格結構。這並不需要死記硬背，因為晶體學已經將晶格的對稱性總結為壹重、贰重、叁重、肆重和六重。然而，還有壹些對稱性，比如伍重對稱性壹度被認為不可能存在，對應的物質也被稱為“准晶”。
贰維准晶結構，具有與晶體相似的有序排列，但不具有平移對稱性（圖片來源：wikipedia）
這裡藏著巨大的差別。因為晶體中的原子團會以規律的間隔重復出現，然而在准晶中，不同原子團會以不同的間隔重復出現。換句話說，如果你切下來壹塊晶體，它總能平移到其他地方。然而在准晶中，雖然原子排列依然有序，但它們不會像晶體那樣，能夠通過簡單的平移相互拼接。
1982年，以色列海法理工學院的材料學家丹尼爾·謝希特曼（Daniel Shechtman）首次在壹種合金中發現了這種“不可能”的對稱性，它是壹組贰拾面體，具有伍重對稱性。多年後，普林斯頓大學的理論物理學家保羅·斯坦哈特（Paul Steinhardt）和同事在東西伯利亞堪察加半島的壹塊隕石碎片中，首次發現了自然產生的正贰拾面體，可能是在太陽系形成早期，由兩顆小行星相撞形成的。因此，斯坦哈特和同事開始好奇，核爆產生的瞬間高溫和高壓，是否也可能產生准晶。
2021年，他們的研究順利發表於《美國科學院院刊》（PNAS），在叁位壹體石中發現了准晶。這種准晶的對稱方式與正贰拾面體相同，化學式為Si₆₁Cu₃₀Ca₇Fe₂，也是已知最古老的人造准晶。
圖片來源：原論文
我們並不能准確知道，這種准晶為何會出現在叁位壹體石中，但我們知道的是，准晶的形成需要伴隨極端高溫和高壓，而這場核爆實驗提供了絕佳的機會。
新晶體
現在，這些鮮紅的玻璃又帶來了另壹重驚喜。除了准晶之外，斯坦哈特和同事又在其中發現了壹種籠形包合物（Clathrate）。這是壹些由硅原子構成的“籠子”，籠子裡還包裹著單個鈣原子，晶體中還含有微量的銅和鐵元素。
圖片來源：原論文
在自然條件下，籠形包合物極為罕見。研究者提出，在叁位壹體實驗期間，曾經達成過壹些條件：極端的沖擊、超過1500攝氏度的溫度，以及5~8吉帕斯卡的壓強。更重要的是，這個條件只存在了短短壹瞬，隨後無論是溫度還是壓強，都開始迅速衰減。
整個過程類似手工燒制玻璃，急劇的變化伴隨著快速冷卻，使得原子可以排列成異常的結構，並且立刻被固定在對應的位置。正如研究團隊在論文中所寫的，最終形成了“常規合成方法無法獲得的固態相”。
更有趣的是，這種籠形晶體與2021年發現的准晶來自同壹塊樣本，成分也有相似之處。研究者起初懷疑，准晶或許就是從這種籠形結構轉變而來。然而進壹步建模研究顯示，這塊樣品中的銅含量過高，很難實現這樣的轉變。
換句話說，在同樣的極端條件下，由相同的材料出發，在同壹份樣本中，獨立生成了兩種截然不同的結構。
對研究者來說，這些事件就像是壹場巨大的實驗，“這項工作凸顯了罕見的高能時間，例如核爆、雷擊和超高速撞擊如何成為天然的實驗室，”論文中寫道，“這會產生意想不到的晶體，”並將那壹瞬間的沖擊封存在小小的晶格中。
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