鹅卵石中的宇宙

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。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。在原子的水平上看，鹅卵石就像一大袋混装糖果。这袋“糖果”究竟有多大一堆？鹅卵石里究竟有多少原子？

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（原子量为16），剩余一半中大部分是硅元素（原子量为28）和铝元素（原子量为27），还有零星的原子量更大的元素。因此，我们可以合理地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10[24]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。

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。

一枚鹅卵石中包含的原子都是什么类型的呢？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。可惜，鹅卵石不能被用作氧气瓶。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。在矿物框架中，还有其他主要成分，如铁、镁、钾、钠、钛，每种成分的质量占比都在百分之几。此外，鹅卵石中还有占比略低于1%的钙、锰和磷。

除了上述这些元素，鹅卵石中还有微量元素，它们的占比往往以百万分之一（ppm）为单位，虽然含量稀少，但种类繁多。有些微量元素我们很熟悉，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，它们原子核中的中子与质子的比例不完全合适，因此它们的原子核内部很不稳定。这些放射性原子在短则数微秒后，长则数十亿年后，将衰变成更小的原子。原子衰变时，会产生令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），且都具有放射性，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，它们的含量以十亿分之一（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，不同的原子会由于质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，与其问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，如果仍以每枚鹅卵石中有10[24]个原子来计算，我们将震惊地发现，每枚鹅卵石中一定有1000万亿个铱原子，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。即使铀的含量只占百万分之几，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是合成的：钚、镅、锿、钔……其中一些元素，比如钔，称得上真正的稀有，也许这枚鹅卵石里一个钔原子也没有。但其他类型的超重原子，比如钚，现在已在核反应堆中大量产生。一旦这些超重原子散逸到风和流水中，它们就将一并附着在鹅卵石上。

鹅卵石确实是宇宙的一个缩影。而鹅卵石中的这些原子，在宇宙中都有自己的位置，也有着不同的历史。鹅卵石的诞生非同寻常，它们来到地球的旅程漫长得令人难以想象。无论是多先进的宇宙飞船，都无法穿过它们曾跨越的茫茫星海。

（万 千摘自中信出版集团《从一枚鹅卵石看地球通史》一书，本刊节选，陈玉斐图）