人类的第一次核爆 造出了“不可能出现”的物质

1945年7月16日凌晨5点29分，一道强光穿透了美国新墨西哥州沙漠的黎明——这是人类历史上的第一次原子弹爆炸实验，代号“三位一体”（Trinity）。

倒计时归零，火球升起，热浪和冲击波向外推开。几十秒后，气浪抵达观测点，物理学家恩里科·费米（Enrico Fermi）松开手中的几片小纸片，看它们在空中被吹偏了多远。他想用这种方法，估算人类的第一次核爆释放了多少能量。

费米很快得出了自己的答案：这场爆炸释放了大约相当于1万吨TNT爆炸的能量。后来，更精确的估算显示，三位一体实验的能量释放约为2.1万吨TNT当量。无论是哪个数字，都已经足够彻底扭曲现场的任何物质结构。爆炸现场的金属塔架、周围的电缆、仪器、甚至砂砾都在极端高温和冲击下熔化，最终混合在一起，形成了一片玻璃态物质。

1945年9月，《时代》（Time）杂志在报道中写道，现场像是“一片碧玉湖泊”，全是绿色、灰色、黑色，甚至红色的玻璃。今天，这些玻璃被称为阿拉莫戈多玻璃，或是三位一体石（trinitite）。

这些玻璃的主要成分来自被熔化的砂岩，尤其是其中的长石和石英——它们的主要成分就是硅酸盐和二氧化硅。但其中还包含了第一颗原子弹的熔融碎片、支撑原子弹的高塔，以及诸多传感器和线缆的成分。研究人员推测，深绿色、灰色和黑色的玻璃，可能含有不同浓度的钢架材料，而红色的玻璃则融合了铜制电线。

直到今天，这场爆炸依然能给我们带来新的发现。最近，一项发表于《美国科学院院刊》（PNAS）的研究指出，科学家在红色的三位一体石中发现了一种全新的晶体。如果没有这次核爆，它可能不会存在于地球上。

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“不存在”的结构

这并不是科学家第一次在三位一体石中发现全新结构。早在2021年，同一个研究团队就曾在这些红色玻璃中发现了一度被认为“不可能存在”的材料——准晶。

红色三位一体石（图片来源：原论文）

在18世纪的一天，法国的牧师和矿物学家勒内-朱斯特·阿维（René Just Haüy）失手打碎了一位富商的方解石矿物标本。当他弯腰捡起破碎的矿物碎片时，却意外地注意到，这块标本破碎的表面全都光滑整齐，而且每一块碎片的切面全都呈现出同样的角度，构成了一个个小小的菱面体。

阿维能想到最简单的解释，就是方解石是由一些基本的模块组成的，每一个小模块都是菱面体的形状。而这一发现，最终促成了晶体学的诞生。今天，我们将阿维猜测的这些“基本模块”称为“晶格”。如果你在脑海中，将这些晶格像堆积木一样，一个挨一个地整齐排列在一起，就形成了晶体。正是这套微观框架，决定了矿物在宏观世界中的许多性质，比如硬度、弹性、导电性等等。

在本科阶段学习矿物学与晶体学这门课的时候，我们必做的功课之一就是记住十几种常见的晶格结构。这并不需要死记硬背，因为晶体学已经将晶格的对称性总结为一重、二重、三重、四重和六重。然而，还有一些对称性，比如五重对称性一度被认为不可能存在，对应的物质也被称为“准晶”。

二维准晶结构，具有与晶体相似的有序排列，但不具有平移对称性（图片来源：wikipedia）

这里藏着巨大的差别。因为晶体中的原子团会以规律的间隔重复出现，然而在准晶中，不同原子团会以不同的间隔重复出现。换句话说，如果你切下来一块晶体，它总能平移到其他地方。然而在准晶中，虽然原子排列依然有序，但它们不会像晶体那样，能够通过简单的平移相互拼接。

1982年，以色列海法理工学院的材料学家丹尼尔·谢希特曼（Daniel Shechtman）首次在一种合金中发现了这种“不可能”的对称性，它是一组二十面体，具有五重对称性。多年后，普林斯顿大学的理论物理学家保罗·斯坦哈特（Paul Steinhardt）和同事在东西伯利亚堪察加半岛的一块陨石碎片中，首次发现了自然产生的正二十面体，可能是在太阳系形成早期，由两颗小行星相撞形成的。因此，斯坦哈特和同事开始好奇，核爆产生的瞬间高温和高压，是否也可能产生准晶。

2021年，他们的研究顺利发表于《美国科学院院刊》（PNAS），在三位一体石中发现了准晶。这种准晶的对称方式与正二十面体相同，化学式为Si₆₁Cu₃₀Ca₇Fe₂，也是已知最古老的人造准晶。

图片来源：原论文

我们并不能准确知道，这种准晶为何会出现在三位一体石中，但我们知道的是，准晶的形成需要伴随极端高温和高压，而这场核爆实验提供了绝佳的机会。

新晶体

现在，这些鲜红的玻璃又带来了另一重惊喜。除了准晶之外，斯坦哈特和同事又在其中发现了一种笼形包合物（Clathrate）。这是一些由硅原子构成的“笼子”，笼子里还包裹着单个钙原子，晶体中还含有微量的铜和铁元素。

图片来源：原论文

在自然条件下，笼形包合物极为罕见。研究者提出，在三位一体实验期间，曾经达成过一些条件：极端的冲击、超过1500摄氏度的温度，以及5~8吉帕斯卡的压强。更重要的是，这个条件只存在了短短一瞬，随后无论是温度还是压强，都开始迅速衰减。

整个过程类似手工烧制玻璃，急剧的变化伴随着快速冷却，使得原子可以排列成异常的结构，并且立刻被固定在对应的位置。正如研究团队在论文中所写的，最终形成了“常规合成方法无法获得的固态相”。

更有趣的是，这种笼形晶体与2021年发现的准晶来自同一块样本，成分也有相似之处。研究者起初怀疑，准晶或许就是从这种笼形结构转变而来。然而进一步建模研究显示，这块样品中的铜含量过高，很难实现这样的转变。

换句话说，在同样的极端条件下，由相同的材料出发，在同一份样本中，独立生成了两种截然不同的结构。

对研究者来说，这些事件就像是一场巨大的实验，“这项工作凸显了罕见的高能时间，例如核爆、雷击和超高速撞击如何成为天然的实验室，”论文中写道，“这会产生意想不到的晶体，”并将那一瞬间的冲击封存在小小的晶格中。