第1章　星尘

盘点工作

什么是鹅卵石？它是被浪花打磨过的岩石，一种复杂的矿物结构，一小部分的海滩，也是一颗承载历史的时间胶囊——每种定义都有它的由来，我们将在后面逐一讲解。而从另一个角度也可以说，鹅卵石是各式各样、数量庞大的原子集合体。我们就从原子讲起。在原子的水平上看，鹅卵石就像是一大袋混装糖果，而我们要将每种糖果挑出来各堆成一堆。这袋“糖果”究竟有多大一堆？鹅卵石里究竟有多少原子？

有个简单的公式可以用来估算任何一块物体中的原子数量。阿莫迪欧·阿伏伽德罗是皮德蒙特（位于今意大利）的克雷塔和切雷托伯爵，也是一位学者、专家和教师（虽然他的教学经历一度被他的革命和共和主义倾向短暂打断——国王就住在附近，他支持共和主义多少是有点儿不礼貌了）。阿伏伽德罗对物质中的粒子（原子、分子）与物质的体积、质量之间的关系很感兴趣。多年后，其他科学家对他的这些早期研究进行了改进。一个多世纪后，相关研究结果被命名为阿伏伽德罗常量，它规定每摩尔（mole）的任何元素都有约6.022×1023个原子。这里的“摩尔”既不是指毛茸茸的鼹鼠，也不是指皮肤上的斑点或痣（它们的英文都是mole），而是对任何元素（以克为单位）原子量的规定。因此，对氧元素来说，1摩尔氧原子就是16克，因为16是氧的原子量，1个氧原子核内共有16个质子和中子。

把我们的这枚鹅卵石放在厨房秤上，显示重量为50克，其中大约一半是氧元素（原子量16），剩余一半中大部分是硅元素（原子量28）和铝元素（原子量27），还有零星原子量更大的元素。因此，可以合理推测鹅卵石的平均原子量大约是25，也就是说，这块50克重的鹅卵石包含了（大约）1024个原子。如果原子如糖果般大小，那么想要装下这些五颜六色、多种多样的“糖果”，我们需要的袋子就得有月球那么大。[1]由此，相信你也可以体会到周围的亚微观世界是多么巨大。威廉·布莱克曾以“一沙一世界”的诗句闻名，事实表明，他关于沙粒与世界的绝妙比喻和原子与物质的真实比例相比，只有大约一个数量级的差距。

一枚鹅卵石包含的原子数量很庞大。但它的原子都是什么类型的呢？来盘点一下吧。如今，我们已经有了原子计数器。非常豪华昂贵的计数器几乎可以做到逐个原子计数，不过实验室一台普通的原子计数器（确切说是一台X射线荧光光谱仪）也能为我们提供合理的初步估计。光谱仪不是逐一数原子的个数，而是测量不同类型原子（属于不同元素）的比例。想要通过实验测定元素比例，就必须先把鹅卵石碾碎。但故事才刚开了个头，我们的鹅卵石不能这么早就“光荣牺牲”。那就碾碎一块和它差不多的石头吧，实验结果也同样适用。毕竟，石头跟石头都是一样的（不过，至少要与那枚鹅卵石来自同一悬崖岩层、同一片海滩才行）。

光荣牺牲的石头会被碾碎，压成颗粒，或者熔化成石玻璃珠。然后，一束高能X射线射向石头样品，把一些电子从轨道上“敲”了出来。其他电子则跳下来填补它们的空位，在此过程中原子发出辐射（光子），这些光子的能量体现出每种元素的特征，因此可以说是元素的“指纹”。这些光子及其能级可被非常精确地探测与测量，由此，我们可以测量出样品中元素的比例，精确到几个百分点。

我们就像是原子会计师，估测着鹅卵石中各种元素的近似百分比。迄今为止，在鹅卵石的“资产负债表”上，氧原子最常出现。按质量计算，氧在鹅卵石中约占50%，这比它在大气中的占比（21%）还要大。惊讶吗？可惜，鹅卵石不能用作氧气瓶。如果真能，宇航员就可以在月球和火星上轻松呼吸了。在鹅卵石中，氧元素被锁住，与硅和铝紧紧地结合在一起，搭起了鹅卵石的矿物框架，即各种硅酸盐。关于这些，我们马上会详细介绍。在矿物框架中，还有其他主要成分，如铁、镁、钾、钠、钛，每种成分的重量都在百分之几。此外，鹅卵石中还有各略低于1%的钙、锰和磷。实验过程中可能还会有些损耗，比如将岩石粉末放在烤箱中烘烤时，水分会被烤干，这样一来大部分的氢会随之流失（水是氢原子和氧原子结合形成的），可能也会损耗少量的碳。

除了上述这些元素，鹅卵石中还有稀有元素，它们往往以百万分之一（ppm）为单位，虽然含量稀少，但种类繁多。有些稀有元素我们很熟悉，含量在几十到几百ppm之间，像钒、铬、铜、锌、铅、钡；其他的就不那么出名了，比如铷、锶、钇、铈、镧、铌。有一两种元素有点儿危险，比如砷。其中有些原子具有放射性，它们原子核的中子与质子的比例不完全合适，因此它们的原子核内部不稳定。这些放射性原子短则数微秒后，长则数十亿年后（具体取决于原子的类型），将衰变成更小的原子。原子衰变时，也会产生我们闻之色变的辐射，如高能电子、伽马射线，或中子质子成对被束缚在一起形成的粒子等。比如铀，它有不下16种不同原子类型（被称为同位素）都具有放射性，每种同位素的中子数量都不相同，但质子的数量均为92。类似的放射性原子还有钍，以及钾、钐和铷的一些同位素。

鹅卵石中还有更稀有的元素，含量以十亿分之一（ppb）为单位。为了探测这些元素，我们需要更加灵敏的设备——质谱仪。在质谱仪中，鹅卵石材料形成的等离子体被加速，并受到磁场的作用，这样当带电的原子（离子）流射入精心放置的探测器时，不同原子会由于重量不同而被仔细筛分。这当中就有诗人和海盗偏爱的元素：金、银和铂。从比例上说，这些元素极为稀少，但在一枚鹅卵石中，每种元素的原子数量也达到了数百万。毕竟，在一片无边无际的丛林中，即使是最稀有的兰花也会有很多株。到了这个层面，与其说我们的鹅卵石中包含哪些元素，不如试图探究它不包含哪些元素。

很难找到鹅卵石中没有的元素。铱经常被认为是地壳中最稀有的元素，平均含量为十亿分之一。如果仍以每枚鹅卵石中有1024个原子来计算，我们将震惊地发现，每枚鹅卵石中一定有1 000万亿个铱原子，不过它们在这浩瀚的原子之海中几乎被稀释到无法探寻了。

铱至少是稳定的。有些元素和铀一样，并不稳定。其中，最不稳定的元素是钷，它是铀衰变的副产物，半衰期不到17年。即使铀的含量只占了百万分之几，但在鹅卵石这个巨大的原子库中，顷刻间也有成千上万个钷原子难以察觉地进进出出。

此外，在元素周期表中，铀的后面还有一片区域，那是一个幽灵般的世界，其中的元素由于过重而非常不稳定，这一点与铀相似，但它们的半衰期要短得多。这部分中已知的元素大多数都是合成的：钚、镅、锿、钔……最近又有。其中一些元素，比如钔，可称得上是真正的稀有，也许这枚鹅卵石里一个钔原子都没有。但其他类型的超重原子，比如钚，我们现在已在核反应堆中大量产生，以千克为单位计。一旦这些超重原子散逸到风、浪和流水中，它们就将一并附着在我们的鹅卵石、海滩上其他鹅卵石，乃至地球所有海滩上的所有鹅卵石表面。

我们的鹅卵石确实是宇宙的一个缩影。而鹅卵石中的这100多种原子，在宇宙中都有自己的位置，也都有着不同的历史。不过，我们需要把位置与历史分开来谈。这是因为，虽然鹅卵石能很好地代表地球上地壳的情况，但它与地球的其他部分及太阳系带内行星一样，在宇宙中并不具有代表性。宇宙中最多的元素是氢和氦[2]（这种情况也正在慢慢改变），而鹅卵石和它所在的地球主要由氧、硅、铁及类似的重元素组成；地球上的氢主要被锁在水中，氦含量则微乎其微。因此，我们需要解释，为什么鹅卵石和宇宙的普遍成分差别这么大。在这之前，还有一个问题：鹅卵石中的原子都来自何方？我想说，它们的诞生非同寻常，它们来到地球的旅程漫长得难以想象。无论是多强大的宇宙飞船，都无法穿过它们曾跨越的茫茫星海。

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[1]假设原子有糖果这么大，我们可以通过计算得到这一点。月球的体积约为200亿立方千米（这是一些耐心的天文学家计算出来的），1立方千米等于1万亿升——1升就是我们厨房所用量瓶的容量，里面可以装50块糖果。这些数字相乘，约为1024，与我们鹅卵石中的原子数接近。

[2]至少就物质而言是这样。目前从整体上看，宇宙的大部分似乎都是由其他一些神秘的东西构成的：一种我们称之为“暗能量”的东西，把宇宙推得四分五裂；另一种我们称之为“暗物质”的东西，又把宇宙的某些部分拉到一起。在宇宙尺度上，鹅卵石微不足道，其他所有我们熟悉的原子也是如此。