第1章　星塵

盤點工作

什么是鵝卵石？它是被浪花打磨過的巖石，一種復雜的礦物結構，一小部分的海灘，也是一顆承載歷史的時間膠囊——每種定義都有它的由來，我們將在后面逐一講解。而從另一個角度也可以說，鵝卵石是各式各樣、數量龐大的原子集合體。我們就從原子講起。在原子的水平上看，鵝卵石就像是一大袋混裝糖果，而我們要將每種糖果挑出來各堆成一堆。這袋“糖果”究竟有多大一堆？鵝卵石里究竟有多少原子？

有個簡單的公式可以用來估算任何一塊物體中的原子數量。阿莫迪歐·阿伏伽德羅是皮德蒙特（位于今意大利）的克雷塔和切雷托伯爵，也是一位學者、專家和教師（雖然他的教學經歷一度被他的革命和共和主義傾向短暫打斷——國王就住在附近，他支持共和主義多少是有點兒不禮貌了）。阿伏伽德羅對物質中的粒子（原子、分子）與物質的體積、質量之間的關系很感興趣。多年后，其他科學家對他的這些早期研究進行了改進。一個多世紀后，相關研究結果被命名為阿伏伽德羅常量，它規定每摩爾（mole）的任何元素都有約6.022×1023個原子。這里的“摩爾”既不是指毛茸茸的鼴鼠，也不是指皮膚上的斑點或痣（它們的英文都是mole），而是對任何元素（以克為單位）原子量的規定。因此，對氧元素來說，1摩爾氧原子就是16克，因為16是氧的原子量，1個氧原子核內共有16個質子和中子。

把我們的這枚鵝卵石放在廚房秤上，顯示重量為50克，其中大約一半是氧元素（原子量16），剩余一半中大部分是硅元素（原子量28）和鋁元素（原子量27），還有零星原子量更大的元素。因此，可以合理推測鵝卵石的平均原子量大約是25，也就是說，這塊50克重的鵝卵石包含了（大約）1024個原子。如果原子如糖果般大小，那么想要裝下這些五顏六色、多種多樣的“糖果”，我們需要的袋子就得有月球那么大。[1]由此，相信你也可以體會到周圍的亞微觀世界是多么巨大。威廉·布萊克曾以“一沙一世界”的詩句聞名，事實表明，他關于沙粒與世界的絕妙比喻和原子與物質的真實比例相比，只有大約一個數量級的差距。

一枚鵝卵石包含的原子數量很龐大。但它的原子都是什么類型的呢？來盤點一下吧。如今，我們已經有了原子計數器。非常豪華昂貴的計數器幾乎可以做到逐個原子計數，不過實驗室一臺普通的原子計數器（確切說是一臺X射線熒光光譜儀）也能為我們提供合理的初步估計。光譜儀不是逐一數原子的個數，而是測量不同類型原子（屬于不同元素）的比例。想要通過實驗測定元素比例，就必須先把鵝卵石碾碎。但故事才剛開了個頭，我們的鵝卵石不能這么早就“光榮犧牲”。那就碾碎一塊和它差不多的石頭吧，實驗結果也同樣適用。畢竟，石頭跟石頭都是一樣的（不過，至少要與那枚鵝卵石來自同一懸崖巖層、同一片海灘才行）。

光榮犧牲的石頭會被碾碎，壓成顆粒，或者熔化成石玻璃珠。然后，一束高能X射線射向石頭樣品，把一些電子從軌道上“敲”了出來。其他電子則跳下來填補它們的空位，在此過程中原子發出輻射（光子），這些光子的能量體現出每種元素的特征，因此可以說是元素的“指紋”。這些光子及其能級可被非常精確地探測與測量，由此，我們可以測量出樣品中元素的比例，精確到幾個百分點。

我們就像是原子會計師，估測著鵝卵石中各種元素的近似百分比。迄今為止，在鵝卵石的“資產負債表”上，氧原子最常出現。按質量計算，氧在鵝卵石中約占50%，這比它在大氣中的占比（21%）還要大。驚訝嗎？可惜，鵝卵石不能用作氧氣瓶。如果真能，宇航員就可以在月球和火星上輕松呼吸了。在鵝卵石中，氧元素被鎖住，與硅和鋁緊緊地結合在一起，搭起了鵝卵石的礦物框架，即各種硅酸鹽。關于這些，我們馬上會詳細介紹。在礦物框架中，還有其他主要成分，如鐵、鎂、鉀、鈉、鈦，每種成分的重量都在百分之幾。此外，鵝卵石中還有各略低于1%的鈣、錳和磷。實驗過程中可能還會有些損耗，比如將巖石粉末放在烤箱中烘烤時，水分會被烤干，這樣一來大部分的氫會隨之流失（水是氫原子和氧原子結合形成的），可能也會損耗少量的碳。

除了上述這些元素，鵝卵石中還有稀有元素，它們往往以百萬分之一（ppm）為單位，雖然含量稀少，但種類繁多。有些稀有元素我們很熟悉，含量在幾十到幾百ppm之間，像釩、鉻、銅、鋅、鉛、鋇；其他的就不那么出名了，比如銣、鍶、釔、鈰、鑭、鈮。有一兩種元素有點兒危險，比如砷。其中有些原子具有放射性，它們原子核的中子與質子的比例不完全合適，因此它們的原子核內部不穩定。這些放射性原子短則數微秒后，長則數十億年后（具體取決于原子的類型），將衰變成更小的原子。原子衰變時，也會產生我們聞之色變的輻射，如高能電子、伽馬射線，或中子質子成對被束縛在一起形成的粒子等。比如鈾，它有不下16種不同原子類型（被稱為同位素）都具有放射性，每種同位素的中子數量都不相同，但質子的數量均為92。類似的放射性原子還有釷，以及鉀、釤和銣的一些同位素。

鵝卵石中還有更稀有的元素，含量以十億分之一（ppb）為單位。為了探測這些元素，我們需要更加靈敏的設備——質譜儀。在質譜儀中，鵝卵石材料形成的等離子體被加速，并受到磁場的作用，這樣當帶電的原子（離子）流射入精心放置的探測器時，不同原子會由于重量不同而被仔細篩分。這當中就有詩人和海盜偏愛的元素：金、銀和鉑。從比例上說，這些元素極為稀少，但在一枚鵝卵石中，每種元素的原子數量也達到了數百萬。畢竟，在一片無邊無際的叢林中，即使是最稀有的蘭花也會有很多株。到了這個層面，與其說我們的鵝卵石中包含哪些元素，不如試圖探究它不包含哪些元素。

很難找到鵝卵石中沒有的元素。銥經常被認為是地殼中最稀有的元素，平均含量為十億分之一。如果仍以每枚鵝卵石中有1024個原子來計算，我們將震驚地發現，每枚鵝卵石中一定有1 000萬億個銥原子，不過它們在這浩瀚的原子之海中幾乎被稀釋到無法探尋了。

銥至少是穩定的。有些元素和鈾一樣，并不穩定。其中，最不穩定的元素是钷，它是鈾衰變的副產物，半衰期不到17年。即使鈾的含量只占了百萬分之幾，但在鵝卵石這個巨大的原子庫中，頃刻間也有成千上萬個钷原子難以察覺地進進出出。

此外，在元素周期表中，鈾的后面還有一片區域，那是一個幽靈般的世界，其中的元素由于過重而非常不穩定，這一點與鈾相似，但它們的半衰期要短得多。這部分中已知的元素大多數都是合成的：钚、镅、锿、鍆……最近又有。其中一些元素，比如鍆，可稱得上是真正的稀有，也許這枚鵝卵石里一個鍆原子都沒有。但其他類型的超重原子，比如钚，我們現在已在核反應堆中大量產生，以千克為單位計。一旦這些超重原子散逸到風、浪和流水中，它們就將一并附著在我們的鵝卵石、海灘上其他鵝卵石，乃至地球所有海灘上的所有鵝卵石表面。

我們的鵝卵石確實是宇宙的一個縮影。而鵝卵石中的這100多種原子，在宇宙中都有自己的位置，也都有著不同的歷史。不過，我們需要把位置與歷史分開來談。這是因為，雖然鵝卵石能很好地代表地球上地殼的情況，但它與地球的其他部分及太陽系帶內行星一樣，在宇宙中并不具有代表性。宇宙中最多的元素是氫和氦[2]（這種情況也正在慢慢改變），而鵝卵石和它所在的地球主要由氧、硅、鐵及類似的重元素組成；地球上的氫主要被鎖在水中，氦含量則微乎其微。因此，我們需要解釋，為什么鵝卵石和宇宙的普遍成分差別這么大。在這之前，還有一個問題：鵝卵石中的原子都來自何方？我想說，它們的誕生非同尋常，它們來到地球的旅程漫長得難以想象。無論是多強大的宇宙飛船，都無法穿過它們曾跨越的茫茫星海。

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[1]假設原子有糖果這么大，我們可以通過計算得到這一點。月球的體積約為200億立方千米（這是一些耐心的天文學家計算出來的），1立方千米等于1萬億升——1升就是我們廚房所用量瓶的容量，里面可以裝50塊糖果。這些數字相乘，約為1024，與我們鵝卵石中的原子數接近。

[2]至少就物質而言是這樣。目前從整體上看，宇宙的大部分似乎都是由其他一些神秘的東西構成的：一種我們稱之為“暗能量”的東西，把宇宙推得四分五裂；另一種我們稱之為“暗物質”的東西，又把宇宙的某些部分拉到一起。在宇宙尺度上，鵝卵石微不足道，其他所有我們熟悉的原子也是如此。