鵝卵石中的宇宙

什么是鵝卵石？它是被浪花打磨過的巖石，一種復(fù)雜的礦物結(jié)構(gòu)，一小部分的海灘，也是一顆承載歷史的時(shí)間膠囊——每種定義都有它的由來。而從另一個(gè)角度也可以說，鵝卵石是各式各樣、數(shù)量龐大的原子集合體。在原子的水平上看，鵝卵石就像一大袋混裝糖果。這袋“糖果”究竟有多大一堆？鵝卵石里究竟有多少原子？

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（原子量為16），剩余一半中大部分是硅元素（原子量為28）和鋁元素（原子量為27），還有零星的原子量更大的元素。因此，我們可以合理地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10[24]個(gè)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。

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(shí)表明，他關(guān)于沙粒與世界的絕妙比喻和原子與物質(zhì)的真實(shí)比例相比，只有大約一個(gè)數(shù)量級的差距。

一枚鵝卵石中包含的原子都是什么類型的呢？在鵝卵石的“資產(chǎn)負(fù)債表”上，氧原子最常出現(xiàn)。按質(zhì)量計(jì)算，氧在鵝卵石中約占50%，這比它在大氣中的占比（21%）還要大。可惜，鵝卵石不能被用作氧氣瓶。在鵝卵石中，氧元素被鎖住，與硅和鋁緊緊地結(jié)合在一起，搭起了鵝卵石的礦物框架，即各種硅酸鹽。在礦物框架中，還有其他主要成分，如鐵、鎂、鉀、鈉、鈦，每種成分的質(zhì)量占比都在百分之幾。此外，鵝卵石中還有占比略低于1%的鈣、錳和磷。

除了上述這些元素，鵝卵石中還有微量元素，它們的占比往往以百萬分之一（ppm）為單位，雖然含量稀少，但種類繁多。有些微量元素我們很熟悉，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(diǎn)兒危險(xiǎn)，比如砷。其中有些原子具有放射性，它們原子核中的中子與質(zhì)子的比例不完全合適，因此它們的原子核內(nèi)部很不穩(wěn)定。這些放射性原子在短則數(shù)微秒后，長則數(shù)十億年后，將衰變成更小的原子。原子衰變時(shí)，會產(chǎn)生令我們聞之色變的輻射，如高能電子、伽馬射線，或中子質(zhì)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），且都具有放射性，每種同位素的中子數(shù)量都不相同，但質(zhì)子的數(shù)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，它們的含量以十億分之一（ppb）為單位。為了探測這些元素，我們需要更加靈敏的設(shè)備——質(zhì)譜儀。在質(zhì)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(dāng)帶電的原子（離子）流射入精心放置的探測器時(shí)，不同的原子會由于質(zhì)量不同而被仔細(xì)篩分。這當(dāng)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(shù)量也達(dá)到了數(shù)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(gè)層面，與其問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(jīng)常被認(rèn)為是地殼中最稀有的元素，如果仍以每枚鵝卵石中有10[24]個(gè)原子來計(jì)算，我們將震驚地發(fā)現(xiàn)，每枚鵝卵石中一定有1000萬億個(gè)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(wěn)定的。有些元素和鈾一樣，并不穩(wěn)定。其中，最不穩(wěn)定的元素是钷，它是鈾衰變的副產(chǎn)物，半衰期不到17年。即使鈾的含量只占百萬分之幾，在鵝卵石這個(gè)巨大的原子庫中，頃刻間也有成千上萬個(gè)钷原子難以察覺地進(jìn)進(jìn)出出。

此外，在元素周期表中，鈾的后面還有一片區(qū)域，那是一個(gè)幽靈般的世界，其中的元素由于過重而非常不穩(wěn)定，這一點(diǎn)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(shù)是合成的：钚、镅、锿、鍆……其中一些元素，比如鍆，稱得上真正的稀有，也許這枚鵝卵石里一個(gè)鍆原子也沒有。但其他類型的超重原子，比如钚，現(xiàn)在已在核反應(yīng)堆中大量產(chǎn)生。一旦這些超重原子散逸到風(fēng)和流水中，它們就將一并附著在鵝卵石上。

鵝卵石確實(shí)是宇宙的一個(gè)縮影。而鵝卵石中的這些原子，在宇宙中都有自己的位置，也有著不同的歷史。鵝卵石的誕生非同尋常，它們來到地球的旅程漫長得令人難以想象。無論是多先進(jìn)的宇宙飛船，都無法穿過它們曾跨越的茫茫星海。

（萬 千摘自中信出版集團(tuán)《從一枚鵝卵石看地球通史》一書，本刊節(jié)選，陳玉斐圖）