來自Quanta Magazine (在此處查詢原始故事)。
五年前一月的某個下午，普林斯頓地質學家林肯·霍利斯特打開了一封來自一位從未謀面的同事的電子郵件，主題行為“救命！救命！救命！” 理論物理學家、普林斯頓理論科學中心主任保羅·斯坦哈特寫道，他手裡有一塊非凡的岩石，他認為它是天然的，但他無法確定它的起源和形成。霍利斯特在他五十年的職業生涯中檢查過大量的晦澀岩石，並同意看一看。
這塊岩石最初是一顆直徑兩三毫米的緻密顆粒，被磨成微觀碎片，是光澤金屬和黃色調啞光礦物的混合物。它讓霍利斯特想起了俄勒岡州的一種叫做約瑟芬巖的物質。他告訴斯坦哈特，這種岩石通常形成於地球核心和地幔之間的地下深處，或者由於某種特定的風化現象而形成於地表附近。“當然，所有這些最終都變成了一條錯誤的道路，”75歲的霍利斯特說。科學家們對這塊岩石研究得越多，它就顯得越奇怪。
支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保有關當今塑造我們世界的發現和思想的具有影響力的故事的未來。
五年後，大約 5,000 封斯坦哈特-霍利斯特電子郵件和一次前往俄羅斯東北部荒涼北極凍土帶的危險旅程之後，這個謎團變得更加撲朔迷離。今天，斯坦哈特、霍利斯特和 15 位合作者報告了一個漫長而不可思議的偵探故事的有趣結果。他們的發現，詳細刊登在《自然通訊》雜誌上，揭示了 45 億年前太陽系的新的方面：不協調的金屬塊莫名其妙地繞著新生的太陽執行，一次非凡規模的碰撞，以及新礦物的產生，包括一種前所未有的物質。它是一部銘刻在真正獨特的岩石地球化學中的戲劇。
“它告訴我們，早期太陽系中似乎發生了我們完全沒有意識到的過程，”研究合著者、華盛頓特區史密森學會的高階地質學家格倫·麥克弗森說。“這將成為許多人心中的一根刺，他們試圖理解這個相當奇怪的謎團。”
該標本於 2008 年在義大利佛羅倫薩一家地質博物館的地下室裡，在一個標有“khatyrkite”（卡特隕石）的盒子裡被發現，它擁有壯麗的準晶斑塊，準晶是一種特殊的物質狀態，在實驗室中被創造出來，但在自然界中從未見過。從冰到鑽石，宇宙中所有的晶體都表現出 14 種對稱性——它們的原子晶格可以旋轉、平移或反射到無法區分的位置。準晶體中，原子以永不完全重複的有序模式排列，具有無限多種可能的對稱性。直到 1982 年，以色列科學家丹·謝赫特曼在合成材料中發現了準晶體（為此他受到了嘲笑，並在 29 年後獲得了諾貝爾化學獎），這種物質狀態才被廣泛認為是不可能的。即使在 2009 年，它們仍然是實驗室培育的奇物。如果佛羅倫薩標本是在自然界中形成的，它將包含有史以來發現的第一個天然準晶體——這是斯坦哈特 10 年來一直孜孜不倦追求的目標。
在分析標本時，霍利斯特注意到準晶體令人眼花繚亂的圖案中含有金屬鋁，這是一種在地球上永遠不會自然存在的物質，因為它很容易與氧結合形成氧化鋁。同樣存在的金屬鐵也幾乎一樣罕見。更奇怪的是，岩石中含有銅。除了在人造合金中偶爾相遇外，鋁和銅不會混合。鋁與氧結合並抵抗水，而銅與硫結合，溶解在水中並被沖走。“大多數已知的過程將銅與鋁分離，”霍利斯特說。“人類可以將這些元素放在一起，但大自然會將它們分開。”
就像在特倫頓的鍊鐵爐附近撿到的許多奇特的小塊，並像祭品一樣送到他的辦公室一樣，霍利斯特認為這個樣本一定是爐渣，即金屬工廠有時會排放到環境中的固體廢物。如果它來自鍊鋁廠，那麼準晶體的存在就不會那麼令人驚訝了。自從 30 年前被發現以來，實驗室環境中已經制造出了一百多種準晶體。
斯坦哈特被霍利斯特對爐渣的評估擊垮了。義大利礦物學家盧卡·賓迪也是如此，他花了數年時間分析佛羅倫薩自然歷史博物館收藏的岩石，然後將有希望的卡特隕石樣本運往普林斯頓。如果這塊岩石不可能在地球上形成，那麼，他們想知道，在太空中會怎麼樣呢？斯坦哈特拜訪了麥克弗森，他是霍利斯特以前的學生，專門研究隕石。但麥克弗森立即贊同霍利斯特的觀點，即該樣本是合成的。它不像他見過的任何隕石。
儘管感到沮喪，但斯坦哈特和賓迪仍然不願放棄對自然的探索，在霍利斯特的幫助下，他們在接下來的幾個月裡逐一分析了晶粒中的微量礦物質，並研究了可能產生它們的工業過程。令他們高興的是，這塊岩石越來越不像人造的了。它散佈著稀有甚至未知礦物的有趣島嶼，顯然是在極端和動盪的條件下凝聚而成的。最終，一種礦物給了科學家們答案。圍繞著一塊準晶體的是斯石英，一種超高壓形式的石英。“這不是在地球表面的鍊鋁廠製造的東西，”霍利斯特說。斯石英只能形成於地幔深處或外太空撞擊期間。
一種新礦物
斯坦哈特是一位 61 歲的教授，散發出一種沉靜的專注力，自從準晶體被發現之前就開始研究準晶體的理論。晶體可以理解為原子基序以一定的頻率在空間中重複，而準晶體則涉及兩個或多個頻率，並且它們的比率是無理數，例如 2 的平方根或黃金分割率。頻率的組合永遠不會完全重複，因此原子的模式也不會重複。“這有點像空間中的不和諧，”斯坦哈特今年冬天在普林斯頓解釋說，他小心地拿著一個準晶體的塑膠模型，這個模型他一直放在他的辦公桌上。就像不和諧的音符合謀創造出一種迴圈但非週期性的聲音程序一樣，“你會看到原子的排列看起來很相似，”他說，“但當你觀察這些原子周圍的東西時，你會發現這裡和那裡有點不同。” 缺乏精確的重複性使得準晶體可以具有任何可能的旋轉對稱性。佛羅倫薩標本表現出二十面體的對稱性，二十面體是一種類似足球的原子排列，可以從 60 個不同的角度觀察，而結構的整體方向沒有任何變化。
目前尚不清楚準晶體是如何形成的。“我們不知道這些原子是如何選擇如此複雜的結構的，”日本東北大學的材料科學家蔡安邦說，他研究這個問題已經超過 25 年了。斯坦哈特和他的學生多夫·萊文（現在是以色列理工學院的理論物理學家）在 20 世紀 80 年代提出的一個觀點認為，準晶體中的原子可能首先聚整合五邊形、十邊形或可能無限多種其他形狀，然後這些簇遵循特定的規則來控制它們如何與鄰居對齊——類似於控制彭羅斯鋪砌的幾何規則——這會將它們鎖定在非理性的、非重複的模式中。另一種理論認為，準晶體是隨機組裝的：原子形成對稱簇，然後以任意方式排列。如果這個理論是正確的，並且沒有任何力支配相鄰簇必須如何連線在一起，那麼這將意味著準晶體不是完全穩定的。“隨著時間的推移，它們會分解，”卡內基梅隆大學物理學家邁克爾·威多姆說，他幫助發展了這種“熵”理論。
主要受這場辯論的驅動，斯坦哈特和幾位同事於 1999 年開始尋找天然準晶體。發現這樣一個物體將使礦物分類列表從 230 個（這 14 種晶體對稱性的所有可能組合）擴充套件到無窮大。它可以指向涉及未知極端壓力或冷卻的奇特地質過程。最重要的是，它將支援斯坦哈特的觀點，即準晶體是真實的、穩定的物質狀態，是由未知的原子間力塑造的，而不是最終分解的原子隨機集合。“對於保羅來說，知道這種材料在地質時期是否穩定至關重要，”霍利斯特說。
經過多年的失敗搜尋，期間穿插著虛假的陽性結果，佛羅倫薩標本中斯石英的存在意味著證明：這塊岩石及其包含的準晶體是天然的，這證明至少有些準晶體比物理學家在實驗室中研究它們的時間長得多。“最引人注目的是它非常完美，”斯坦哈特說。“一個美麗、清晰的圖案。” 2010 年，在科學家們花費數月時間向同事展示他們的證據後，國際礦物學協會接受了佛羅倫薩準晶體——Al63Cu24Fe13，或稱二十面體準晶——作為一種新礦物。
斯坦哈特說，仍然存在一個大問題：“大自然是如何做到這一點的？” 他將樣本送到加州理工學院，分析其三種氧同位素的比率，這可以作為太陽系中一切事物的獨特指紋。果然，這塊岩石具有隕石的氧指紋，而且是一種稀有而古老的型別：CV3 碳質球粒隕石。這些隕石是 45 億多年前太陽誕生時代的唯一遺物，正如亞利桑那州立大學化學教授 彼得·布塞克 所說，這些隕石“為我們提供了有關那個時間和地點的獨特線索”，並且“對專傢俱有特殊意義”。1969 年墜落到墨西哥的 CV3 碳質球粒隕石，即 Allende 隕石，通常被描述為歷史上研究最多的隕石，其中含有金屬同位素，表明引發太陽形成的 газопылевое облако（氣體和塵埃雲）的引力坍縮可能是由附近超新星的衝擊波觸發的。
但是，碳質球粒隕石的領先專家麥克弗森表示，即使不考慮準晶體的存在，佛羅倫薩樣本也與科學界已知的任何隕石都不同。“這是唯一一塊含有任何金屬鋁的隕石，句號，”他說。“我們正在處理一個統計資料，即一個。”
即使這個數字也誇大了情況，因為多年的測試已將樣本減少到灰塵。“我們需要將其置於上下文中，以便弄清楚它是如何形成的，因為這成為了一個大問題，”霍利斯特說。“首先，它是否是天然的就存在爭議。然後我們發現了明確的隕石跡象，但問題是：它告訴我們關於外太空過程的什麼資訊？”
科學家們需要更多的材料，因此他們不得不追溯樣本的來源。“我們必須弄清楚這塊岩石是如何進入博物館的，”斯坦哈特說。“我們有的只是一個盒子。”
秘密日記
博物館檔案中的一封信解釋說，這個盒子是從一位名叫尼古拉斯·科庫克的阿姆斯特丹收藏家那裡批次購買的——這個人沒有網際網路存在，並且有一個常見的荷蘭姓氏。這似乎走到了盡頭，直到三年前在佛羅倫薩的一次幸運的晚餐。賓迪正在向他的同伴講述準晶體的故事，這時餐桌上的一位熟人記得一位名叫科庫克的老婦人住在她在阿姆斯特丹的街道上。當這位熟人回到家時，她向她的鄰居詢問了與她同姓的寶石經銷商。令人驚訝的是，尼古拉斯·科庫克是這位老婦人已故的丈夫。賓迪跳上飛機前往阿姆斯特丹。
這位寡婦對卡特隕石一無所知，但她提出讓賓迪翻閱她丈夫的“秘密日記”。在日記中，科庫克解釋說，他在 1987 年去羅馬尼亞旅行時從一位名叫蒂姆的男子那裡購買了這種礦物。但是蒂姆是從哪裡獲得這種礦物的呢？“我們花了六個星期試圖找到他，但連一點線索都沒有得到，”斯坦哈特說。“我派盧卡回到這位女士那裡，看看她是否知道關於羅馬尼亞人蒂姆的任何事情。她不知道。但她透露，她的丈夫過去常常寫一本秘密的秘密日記。”
那本日記透露，科庫克實際上是從列昂尼德·拉津那裡購買了這種礦物，拉津當時是俄羅斯聖彼得堡鉑金研究所的所長。賓迪認出了這個名字。1985 年，拉津以科學的方式報告並描述了已知的卡特隕石的唯一其他真實例項——“正模標本”，或世界標準，它是在俄羅斯遠東地區的科里亞克山脈附近發現的，並儲存在聖彼得堡的一家博物館中。似乎正模標本和佛羅倫薩標本是一起發現的，拉津研究了前者，並出售了後者。但是，當斯坦哈特追蹤到拉津並在他在以色列的新家中給他打電話時，拉津說他不記得他是如何獲得卡特隕石的了。
線索再次中斷。斯坦哈特束手無策，又回到了 1985 年的論文，拉津在論文中報告了卡特隕石的發現。第一段提到了一個名叫瓦列裡·克里亞奇科的人，他似乎在這次發現中發揮了作用。聯絡人告訴斯坦哈特，克里亞奇科可能是一位行蹤不定的農村礦工，他在為鉑金研究所淘選礦物時撿到了卡特隕石。但不久之後，斯坦哈特在漫無目的地瀏覽俄羅斯礦物學期刊以尋找更多線索時，在一個 1995 年的另一篇論文的作者中發現了克里亞奇科的名字。“突然之間，我們從一無所獲變成了也許，也許，也許這就是我們要找的人，”斯坦哈特說。
科學家們在莫斯科找到了克里亞奇科。他是一位 60 多歲的熱情礦物學家，他透過谷歌翻譯解釋說，拉津確實在克里亞奇科讀研究生時聘請他開採鉑金。1979 年，他被直升機送到一條名為 Listvenitovyi 的不知名小溪，距離最近的村莊數百英里，並在那裡花了幾天時間挖掘藍綠色的粘土。在他淘選的幾百公斤粘土中，沒有發現鉑金，但克里亞奇科確實發現了一些他無法辨認的閃亮小塊。他將它們交給了拉津，從此再也沒有聽說過它們。
值得注意的是，克里亞奇科可以在地圖上精確定位這條小溪的確切位置。它流經一個名為楚科奇的偏遠地區，這是一個人口密度比撒哈拉沙漠西部還低的自治區，而且位置非常靠東，正如霍利斯特所說，“你可以從那裡看到莎拉·佩林。” 楚科奇每年只解凍三週，在那段時間裡，只有直升機或定製的雪地履帶車才能到達那裡。這些車輛類似於坦克，可以在雪地上行駛，碾壓茂密的灌木叢，並漂浮過河流。“如果你問大多數地質學家，每個人都會同意，回到過去找到任何東西的機會都很渺茫，這可能是一場徒勞的追逐，”斯坦哈特說。“另一方面，你唯一的機會是和瓦列裡一起去。”
2011 年夏天，一個由 13 人組成的隊伍，包括斯坦哈特、麥克弗森、賓迪和克里亞奇科，乘坐兩輛雪地履帶車從偏遠的礦業小鎮阿納德爾出發，進入新解凍的苔原。當他們蹣跚地穿過海綿狀、崎嶇不平的地形時，卡車輪流拋錨，斯坦哈特擔心考察隊在小溪邊的時間不夠。經過漫長的四天，車隊終於到達了克里亞奇科描述的地點：一條冰冷的水流在科里亞克山脈山腳下奇怪的藍綠色粘土中蜿蜒流淌。麥克弗森建立了一個臨時實驗室來篩選候選岩石，考察隊員輪流挖掘和淘選，並揮舞著改裝的 AK-47 突擊步槍來保護隊伍免受在該地區漫遊的巨型棕熊的襲擊。就在第一個下午，一塊閃亮的岩石碎片引起了賓迪的注意——他確信那是一塊隕石。
到第十天，考察隊淘選了一噸半的粘土，從中獲得了幾公斤有希望的顆粒。當科學家們拆除營地並裝載卡車時，他們可以感覺到空氣變得越來越冷。“第二天，我們開車越過群山，回頭一看，那裡已經一片雪白，”斯坦哈特說。“我們實際上是在冬天來臨的前一天出來的。”
自然界的怪胎
霍利斯特於 2011 年從普林斯頓大學退休，並以年齡為由沒有前往楚科奇，他喜歡說太空岩石為他的職業生涯畫上了句號。他於 20 世紀 70 年代開始分析阿波羅宇航員收集的月球岩石。兩年前，在他從楚科奇探險隊帶回來的第一顆滑到顯微鏡下的晶粒中，有些東西讓他想起了幾十年前的阿波羅岩石。穿過樣本的是由富含鐵的環狀頑火輝石構成的晶脈，環狀頑火輝石是一種高壓版本的更常見的礦物，稱為橄欖石，就像斯石英是石英的高壓變體一樣。環狀頑火輝石只能在相當於超過大氣壓五百萬倍的衝擊下形成——這種衝擊是月球岩石經歷過的，人們認為，在形成月球的事件中，小行星撞擊將它們從地球上撞擊出來。但這一次，環狀頑火輝石的存在沒有道理。碳質球粒隕石是和平形成的，隨著越來越多的物質在圍繞新生太陽的軌道上聚集在一起而緩慢吸積。“你不會在碳質球粒隕石中發現衝擊的證據，”霍利斯特說——至少，從來沒有發現過如此極端的戰鬥傷痕。
迄今為止在楚科奇戰利品中發現的九顆隕石晶粒，包括賓迪在第一天幸運發現的那顆，包含各種不太可能的物質，包括天然準晶體二十面體準晶、其他稀有的鋁銅合金、純鋁斑點以及環狀頑火輝石遍佈更常見的鎳和鐵合金。霍利斯特、麥克弗森和其他科學家在過去兩年中一直在研究這種奇特混合物的合理背景故事。“這就是我們建立對太陽星雲演化的理解的方式，透過觀察這些材料並將它們拼湊成太陽系整體歷史的更大故事，”斯坦哈特解釋說。
要麼是一次史詩般的碰撞引發了二十面體準晶和其他合金的形成，要麼是撞擊發生在之後。麥克弗森傾向於認為金屬首先以某種未知的方式在太陽星雲中形成，然後在它們後來融入的小行星與另一顆小行星碰撞時經歷了衝擊。但是，他承認，這將使隕石變得更加引人注目，“我們大多數人都不真正相信巧合。”
或者，衝擊可能已經將準晶體和其他鋁銅合金衝擊成形，這也可能解釋了為什麼它們表現出快速冷卻的明顯跡象（例如從周圍晶體中提取的鋁金屬條），就好像岩石突然被拋入太空一樣。但是，鋁和銅最初是如何在鐵鎳合金中結合在一起的仍然不清楚。“當銅仍然是氣體時，鋁正在形成固體，”麥克弗森說。“這就是為什麼準晶體如此奇怪。它讓我們大開眼界，看到了我們以前沒有認識到的事物。”
然後是前所未有的金屬鋁的存在。“以前從未有其他隕石暗示早期太陽系中存在金屬鋁，”霍利斯特說。
總的來說，研究作者表示，需要進一步分析以瞭解導致太空岩石中奇異物質形成的過程及其影響。“儘管準晶體是整個專案中的一大亮點，”麥克弗森說，“但它們實際上不再是謎團。至少對我來說不是。謎團是合金是如何形成的。”
蔡安邦和其他人在實驗室進行的大量研究表明，二十面體準晶幾乎可以肯定是一種穩定的物質狀態，正如斯坦哈特和萊文長期以來所爭論的那樣，而不是隨機的、分解的聚集體。隨著古代例子的發現，現在的證據是壓倒性的。“這為這些物質是穩定的這一事實添加了一個感嘆號，”萊文說。然而，問題仍然存在：為什麼準晶體是穩定的？是什麼力將相鄰的簇鎖定在一起？蔡安邦說，答案“將給物理學帶來新的圖景”，並補充說，這些答案可能對其他鮮為人知的物質相的穩定性產生影響。
斯坦哈特已經在考慮下一步在哪裡尋找更多天然準晶體的例子，也許是那些從未在實驗室中見過的準晶體，這可以加深科學家們對它們穩定性的理解。“結果可能是在我的後院，並且由矽和氧以某種奇怪的配置組成，”他說。“它可能仍然坐在我的後院，而我只是不知道。”
經Quanta Magazine許可轉載，Quanta Magazine 是 SimonsFoundation.org 的一個編輯獨立部門，其使命是透過報道數學、物理科學和生命科學的研究進展和趨勢來增進公眾對科學的理解。