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【《复仇者联盟2》里美国队长用的盾,是用来自陨石的汎元素构成的某种特殊合金铸成的。除此之外,陨石还有什么用处呢?图片来源:hollywoodreporter.com】

《复仇者联盟2》上映,美国队长再次登上舞台,继续拯救这个从没消停过一天的世界。

尽管美式英雄从来不缺铁胆侠骨,但毕竟要“好马配好鞍”,好歹也得弄出点黑科技,总不能让英雄们寒碜着去拯救世界吧?于是,美国队长的手上,就水到渠成出现了一张画着星条图案的圆盾。根据设定,这面圆盾由含有汎(Vibranium)元素的一种特殊合金铸成。

在漫威的世界里,汎并不是地球本土拥有的元素。上万年前,坠入南极洲的陨石意外将汎带到地球。在现代的一次南极科考中,人类探险队无意间发现了这种沉睡在冰层中的元素。适逢第二次世界大战,迈伦·麦克莱恩博士(Myron MacLain)受雇于美国军方,着手研究这种新元素的性能。他在无意间合成出一种能吸收冲击波、具有极高硬度的合金。这样的材料作为武器而言可算满分,但问题在于——连他本人都不知道自己是怎么搞出来的…… 结果便是,无法量产。言外之意,这注定只能成为英雄专用的黑科技,我们凡人就别指望染指啦!

一本正经开脑洞着实过瘾,可是回到现实,我们真能指望陨石给地球带来新元素吗?显然不可能。首先,翻遍元素周期表,你也找不到哪个元素叫“汎”;其次,那些现实中存在的元素,也没有哪一个是首先从陨石中发现的。

现实永远比故事更“荒谬”——在地球上,反而聚集着大量在目前观测到的宇宙范围内根本就不存在的稀罕元素。这些元素,甚至在超新星爆发级别的核聚变环境里都无法制造出来,为什么反而会在一颗微不足道的行星上富集呢?原因很简单——因为他们是人类的造物。我们这个已然掌握了聚变技术的文明,在创造元素这事儿上,已经走到了整个宇宙的前面。

不仅送不来新元素,反而被地球人“羞辱”,陨石真就这样“窝囊”吗?不,陨石的故事可能比这还要精彩很多。它带不来新的元素,不代表它带不来地球罕见的星际结晶体。只要你愿意,甚至可以将一个远古星球的地核握在手心里仔细端详。当我们谈及太阳系的太初时刻,根本用不着去编造一些虚无飘缈的故事,陨石并不是历史的转述者,而恰恰就是历史本身。

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【太阳系里的所有天体,包括地球和陨石在内,都形成于原始的太阳系早期的原行星盘,因此陨石不可能给地球带来新的元素。图片来源:NASA】

地球罕见的星际结晶

无论是天外世界还是地球本土,自然界的固体无机物,由宏观到微观,一般都被分为以下三级尺度:岩石、矿物、元素。既然故事从元素引出,那就先来看看最小的元素一级。

陨石无法带来任何新元素的根本原因在于,太阳系内一切岩石质的东西,都诞生于最初那个成分均一的原行星盘(Protoplanetary disc)。上一代超新星爆炸后留下了一片太初星云,后来星云发生质量坍缩,吸积成了太阳,剩余的旋转物质就围绕太阳形成原行星盘。
星云中最多的元素是氢(H)和氦(He)这些泛滥于整个宇宙的轻物质。它们一多、二轻,很快就率先聚合成太阳或者木星、土星等个头最大的天体。比氢和氦稍微少一点、重一点的,就是碳(C)、氮(N)和氧(O),它们以氢化物的形式存在,比如甲烷、氨和水,组成柯伊伯带物质,构成海王星和天王星等冰行星。

再然后,才轮到原子序数更大的那些元素。它们数量更少、密度更重、熔点更高,只能结晶形成固体。无论是地球还是整个太阳系,只要是块石头疙瘩,主要成分注定都是这些东西——氧(O)、硅(Si)、铝(Al)、铁(Fe)、钙(Ca)、镁(Mg),由多到少,依次排列。

对于这6种元素来说,它们的单质大多是不稳定的物态。虽然得益于工业生产,在生活中想找一块纯硅或者纯铝并不是什么困难的事情,但在自然界里,化学活性特别强的它们不可能以本来面目示人,只有根据各自的价态互相搭配,组成稳定化合物后,才具有赋存下来的资格。这些“自然界的固态化合物”,如果给个定义的话,便是所谓的矿物(Mineral)。

矿物的定义,便是这3个关键词,“自然的、固态的、化合物”。与矿产、矿石之类完全是不同概念上的东西。将上述6种元素随便取一些出来,根据化学规律组成合适的形式,往往就是人们常见的矿物。譬如,把硅和氧放在一起,就形成了石英(SiO2)。同理,把铁和氧组在一起,则能够组成赤铁矿(Fe2O3)或者磁铁矿(Fe3O4)。

当然,这里所举的例子有点简单。岩石圈是复杂的,有着不输于有机世界的多样性。和有机界的碳骨架一样,无机界同样有它自己的基础建材——[SiO4]4-,即所谓的“硅氧四面体单元”(silica tetrahedron)。这种四面体结构是大部分岩石的基础骨架。你可以把它们一个个摞起来,把它们圈成环,或者首尾衔接组成单链,甚至像DNA那样组成双链。一如碳链上添加不同的官能团就成为了不同的有机物,在硅氧四面体骨架上填上不同的阳离子,就形成了形形色色的硅酸盐矿物。硅酸盐是整个岩石世界的绝对主导者,无论地球,还是地外。

所以,想要新物质,不能从元素这级看——挖到根了,谁跟谁能不一样啊!只有在矿物这个层面上,陨石和地球岩石的巨大差异性才开始体现出来。人们实际调查了很多落入地球的陨石样本,发现里面确实有很多地球上极其稀有、甚至从未见过的新晶体相。比如知名的锥纹石(Kamacite, α (Fe, Ni))和镍纹石(Kaenite, γ (Fe, Ni))。(注意这两个例子的化学式,这可是个很重要的伏笔!)当然,不要指望能拿这些东西去做出坚不可摧的圆盾。

最讽刺的地方在于:陨石里很多所谓的“稀罕货”,其实是宇宙中很常见的物质,而反过来,在地表随处可见的成分,却往往是宇宙中真正罕见的东西。

就拿最常见的矿物之一 ——方解石(CaCO3)来说:在地球上,它是构成石灰岩或者大理岩的主要成分,到处都可以捡到;但放到宇宙中,方解石却是极其珍稀的物质。道理很简单:地球上有着一种近乎开挂一般的存在——生物。生物在地球上已经出现了30多亿年,它适应着环境,也深远地改造着环境,结果创造出一大堆本地独有的土特产。人类本身就是一种土特产,自然不会觉得身边的东西有什么稀奇。

从矿物的尺度再升一级,到第三个尺度——岩石,事情就更有趣了。陨石可不是普通的石块,那它们是什么呢?

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【2011年在我国新疆发现的一块巨型铁陨石,可能是太阳系早期另外一颗原始行星的地核。图片来源:南方周末】

握在掌心的外星地核

依然从地球说起。尽管人们普遍知道:地球内部可以划分出性质截然不同的3个圈层——地壳、地幔和地核,但时至今日,人们对地球内部结构的认知,却依然主要建立在间接证据(地震波)之上,没有一个人能实际看到地核长什么样子,更甭说触摸到它,或者取“一块地核”放到实验室去研究了。

倒不是人们不想来一场酣畅淋漓的地心游记,这实在是心有余而力不足。哪怕当下最深的科学钻探记录——前苏联的科拉超深钻,也不过才钻了区区12千米。这个距离连大陆地壳的一半都还没钻透,更不用提地壳下的地幔了——地幔的厚度,是地壳平均厚度的90倍!就算有一天千辛万苦终于钻透了巨厚的地幔,好的,里面还有一个地核在等着你。地核直径有多大呢?近乎于月球直径的两倍。

有趣之处在于,虽然无法触及地球自身的地核,人们却偏偏能够用最简单的方式,了解地外行星的核心长什么样子,甚至可以把它们放在手心里仔细端详。没错,它们就是陨石里非常独特的一种——铁陨石(Iron meteorite)。它们只占目前发现陨石含量的10%都不到,主要成分就是上面说的锥纹石和镍纹石——即自然的铁-镍合金。

陨石种类那么多,为什么科学家偏偏就认为铁陨石是古老的行星之核呢?

依然用地球本身来给这个故事复一下盘:首先,地球为什么会分层?地球内部的温度和压力极高,大量物质是半熔融,甚至全熔融的。在熔体里,成分迁移很容易。就好像把一杯掺有泥沙的水静置一段时间后总能根据密度分层一样,熔融的地球内部本质上就是这么一个大水杯。上面提到的6种元素里哪个最沉?当然是铁。于是,大量的铁沉入行星最深的地方,堆聚成硕大的铁核。

不仅地球如此,月球如此,火星也如此,所有成熟的岩石星球都如此。因此,高纯度的“铁疙瘩”,注定不可能像大部分小型小行星那样,由原始物质随机粘合成成分均一的石块(也就是球粒陨石,下文详述)。这些高纯度的铁镍合金,代表着大型星体进行过强烈的重力分异。

如果这还不够,想要更令人信服的证据,就去看一种更稀少,也是最漂亮的陨石类别——石铁陨石(Stony-iron meteorite)吧。它的基质,和铁陨石一样由铁构成,其中却镶嵌着一颗颗晶莹剔透的橄榄石,如同一块精致的糕点。翠绿透明、呈玻璃光泽的橄榄石,和质地厚重、银光闪耀的铁基质交相辉映,散发着这种地外物质神秘却又瑰丽的魅力。

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【原产于我国新疆地区的阜康陨石,在铁陨石基质中镶嵌着一颗颗晶莹剔透的橄榄石。这类石铁陨石,来自于另一颗行星地核与地幔的交界处。图片来源:link2universe.net】

然而,它所代表的内涵,要比它的外观精彩太多。

还是回到地球这个参照物里,当行星分异过程中大量的铁沉入地核后,剩余的一些铁,连同镁一起,与硅氧四面体单元结合为一种优势硅酸盐,便是上面提到的橄榄石[Olivine, (Mg,Fe)2SiO4]。橄榄石比铁镍合金的密度小,只能漂浮在铁核之上,大量橄榄石和其他附属物质共同组成一个厚厚的圈层,便是那2700 千米厚的地幔。

人们发现,在地表有一些来源较深的熔岩流、侵入岩,或者沿断裂高位侵出的蛇纹岩里,往往掺杂一些零星的“捕虏体”,它的学名叫做方辉橄榄岩(Lherzolite),因为除了主要的橄榄石外,还有辉石(Px, Pyroxene)、尖晶石(Sp, Spinel)以及石榴石(Gt, Garnet),所以也被称为“四相地幔岩”(Ol+Px+Sp+Gt)。这4种物相的组合在地表及其不稳定。根据实验推算,它们能够稳定存在的温压条件,只有地幔那种地方才提供得了。再加上它们确实也只见于来源较深的地质体中,因此这些捕虏体,就被视作是深源岩浆往地表上涌时,顺道从周围刮下来的地幔碎片。

正是这个结论,让人们最终敲死了铁陨石的来源。既然橄榄石代表着地幔,而铁镍合金代表着地核,那么赋存在石铁陨石里的这种橄榄石-铁镍合金共存的结构,不正是核幔的边界层(Core-Mantle Boundary)吗?石铁陨石,居然是古老行星核幔边界层的残骸。

整理一下这个故事——

当彼时的太阳系还只是混沌的原行星盘时,有一颗古老的原行星已经走过了漫长的吸积过程。它已经具有了足够的体积,产生了内部结构的分异。如果进一步发展,很可能就可以跻身未来太阳系几大行星之列。

然而事与愿违,在混乱的撞击中,和多数原行星体一样,它在互相之间的猛烈撞击中彻底结束了一生。裂痕从它的表层直接横贯它的核心,整个身躯都在冲撞中被炸得支离破碎,原本熔融的高温铁核碎片,被抛向冰冷的太空,而后瞬间凝固为固体。

这些残骸,就这样漫无目的地游荡,直到46亿年之后,有一天阴错阳差地与地球邂逅。地球用强大的引力把它俘获了进来。在与大气层的摩擦中,它重获了足以融化自身的温度——那是它似曾相识的温度,在46亿年前曾经燃烧过的温度。

然而,顽石终究不可能知道,在这个被当地人称为第四纪的时间节点上,它其实没有丝毫再次涅槃成为星球中枢的希望,只不过是一颗转瞬即逝的火流星,划下昙花一现的光芒后,在星野摄影师捕的镜头里,在天文台的监测报告里,在有幸看到它的人们许愿的眼神里,静寂在了大地的归宿。

原行星盘的残留古卷

在上面那个小故事里,为什么一口咬定时间就是46亿年前?这是因为,几乎大部分陨石都诞生于那个时代,或者应该说,46亿年这个数值,本身就是陨石告诉我们的。

和地球上的岩石一样,陨石的矿物晶格里,同样封存着各式各样的“同位素时钟”。因此,应用卢瑟福-索迪定律,利用热电离质谱仪(TIMS),利用高分辨离子探针(SHRIMP)——利用所有成熟的同位素测年技术,对陨石做一套同位素分析,就可以推算出它的年龄。人们已经取得了大量样本,统计发现所有陨石的年龄都主要集中于46亿年前后,散点可以往更近的年代偏一偏,但永远不会超过“4.6亿年前”这个标度——就好像一堵无形的墙树立在这个界限处似的。这堵“时间之墙”,就是整个太阳系在时间上的起点。

除了我们已经介绍过的铁陨石和石铁陨石,陨石中含量最丰富的类型,其实是石陨石(Stony meteorite)。石陨石中最主要的类别是球粒陨石(Chondrite),这种由一个个微小的矿物颗粒互相胶结而形成的结构,是原行星盘里无数小小微尘吸积作用的直观遗迹。这些吸积体本身似乎也不太大,自从聚合以来就没有变化过,至少没有进一步演化为行星。否则,就要像铁陨石、石铁陨石的前身那样产生重力分异了。

正是“没有变化过”这5个字,让研究地球演化的科学家高兴坏了。地球的成分从46亿年前形成至今,已经发生了翻天覆地的演化(主要是板块构造+生物在那儿捣蛋,包括人类)。而那些“没有变化过”的球粒陨石,恰恰给今天地球上的科学家研究地球岩石圈的演化,提供了最初原点时刻的珍贵样本。它们就如同被封装了46亿年的时间胶囊,将原始太阳系最初的模样,原原本本地透露给了我们人类。

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【用陨石来打造一块盾牌,是不是有些太暴殄天物了呢?图片来源:电影《美国队长2》】

这就是陨石,比喻成游荡在太空中的原始博物馆也不为过。时间上,它陈列着太阳系原点的遗迹;空间上,它陈列着不可触及的星球核心;它的“馆藏”里,还有着地球上没有的新晶体。

现在,你有没有觉得,把这么个东西做成盾牌到处折腾,实在有点太暴殄天物了呢?其实,倒完全没必要这样想。毕竟,它们可是陨石,是流星燃烧都消化不掉的天体撞击。人家可从来都没当过拯救世界的盾,反而是一把足以毁灭世界的矛。

这事儿,白垩纪的恐龙可能有话要说。

扩展阅读

美国队长之盾其实是个超级电容?

更多《复仇者联盟2:奥创纪元》的科学解读,请戳下图进入专区。

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本文首发于果壳网-科学人:除了美国队长的盾,陨石还有什么用?

编辑:Steed

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8 Responses to “除了美国队长的盾,陨石还有什么用?”

  1. 将就看懂说道:

    很棒!让中学生过瘾的叙述。
    "原本熔融的高温铁核碎片,被抛向冰冷的太空,而后瞬间凝固为固体"
    ???----好像是要经历数亿年才能完成结晶的吧?

  2. Lionet说道:

    文章很好。有处小错误:
    但永远不会超过“4.6亿年前”这个标度

  3. galac说道:

    还可以低调点,做成子弹。

  4. 装13星人说道:

    我发现我已经无法静下心来看一篇长长的科普文了,我是不是也被智能手机给寝室了?

  5. cruelworm说道:

    甚至在超新星爆发级别的核聚变环境里都无法制造出来??????
    超新星爆发时绝对造得出来
    它局部区域作用于粒子的能级可以比 目前实验室的高多了
    只不过那些元素半衰期都太短
    目前都变完了而已

    • Illusiwind说道:

      错。
      大型的对撞机产生的粒子温度比很多超新星内核的温度要高。也许只比不过会造出大质量黑洞的超新星。

      • cruelworm说道:

        超新星内核的温度只是说它的平均温度
        可是超新星爆发的时候内部是均匀的吗?
        显然不会是
        局部的温度会达到很多新元素合成的条件没问题
        也能超过目前粒子对撞机的水平
        所以那句话显然明显极大问题

        • Illusiwind说道:

          反驳无效。
          地球大气层温度也不是均匀的。你告诉我哪个区域的温度超过对撞机了?