“不可能”的水晶在世界上第一次核彈試驗(yàn)中鍛造

1945 年 7 月 16 日凌晨 5 點(diǎn) 29 分，在新墨西哥州，一段可怕的歷史發(fā)生了。

黎明的平靜被撕裂了，因?yàn)槊绹?guó)陸軍引爆了一個(gè)被稱(chēng)為“小工具”的钚內(nèi)爆裝置——這是世界上第一次核彈試驗(yàn)，被稱(chēng)為三位一體試驗(yàn)。這一刻將永遠(yuǎn)改變戰(zhàn)爭(zhēng)。

能量釋放相當(dāng)于 21 千噸 TNT，蒸發(fā)了 30 米高的測(cè)試塔（98 英尺）和數(shù)英里長(zhǎng)的銅線將其連接到記錄設(shè)備。由此產(chǎn)生的火球?qū)⑺豌~與下面的瀝青和沙漠沙子融合成綠色玻璃——一種稱(chēng)為三硝酸鹽的新礦物。

幾十年后，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了隱藏在三位一體的一塊中的秘密——一種罕見(jiàn)的物質(zhì)形式，被稱(chēng)為準(zhǔn)晶體，一度被認(rèn)為是不可能的。

“準(zhǔn)晶體是在地球上很少存在的極端環(huán)境中形成的，”洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的地球物理學(xué)家特里·華萊士（Terry Wallace）在2021年解釋說(shuō).

“他們需要具有極端沖擊、溫度和壓力的創(chuàng)傷性事件。我們通常不會(huì)看到這種情況，除非在像核爆炸這樣戲劇性的事情上。

大多數(shù)晶體，從不起眼的食鹽到最堅(jiān)硬的鉆石，都遵循相同的規(guī)則：它們的原子排列成在三維空間中重復(fù)的晶格結(jié)構(gòu)。準(zhǔn)晶體打破了這一規(guī)則——它們的原子排列模式不會(huì)重復(fù)。

當(dāng)這個(gè)概念于1984年首次出現(xiàn)在科學(xué)界時(shí)，人們認(rèn)為這是不可能的：晶體要么是有序的，要么是無(wú)序的，中間沒(méi)有中間的。然后他們實(shí)際上被發(fā)現(xiàn)了，兩個(gè)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中創(chuàng)建在野外——隕石深處，由超高速撞擊等事件產(chǎn)生的熱力學(xué)沖擊鍛造而成。

知道生產(chǎn)準(zhǔn)晶體需要極端條件，由意大利佛羅倫薩大學(xué)的地質(zhì)學(xué)家盧卡·賓迪（Luca Bindi）領(lǐng)導(dǎo)的一組科學(xué)家決定仔細(xì)研究三硝酸鹽。

但不是綠色的東西。雖然它們并不常見(jiàn)，但我們已經(jīng)看到了足夠多的準(zhǔn)晶體，知道它們傾向于摻入金屬，因此研究小組開(kāi)始尋找一種更稀有的礦物形式——紅色三硝酸鹽，因?yàn)樗纳{(diào)是由其中摻入的汽化銅線引起的。

使用掃描電子顯微鏡和X射線衍射等技術(shù)，他們分析了六個(gè)紅色三硝酸鹽的小樣品。最后，他們?cè)谄渲幸粋€(gè)樣品中受到了打擊——一個(gè)由硅、銅、鈣和鐵組成的微小的 20 面晶粒，具有傳統(tǒng)晶體中不可能的五倍旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)性——這是戰(zhàn)爭(zhēng)販子的“意外后果”。

“這種準(zhǔn)晶體的復(fù)雜性非常壯觀，但沒(méi)有人能告訴我們它為什么會(huì)以這種方式形成，”華萊士解釋道2021年，該團(tuán)隊(duì)的研究發(fā)表。

“但總有一天，科學(xué)家或工程師會(huì)弄清楚這一點(diǎn)，天平將從我們的眼睛中移開(kāi)，我們將對(duì)它的產(chǎn)生有一個(gè)熱力學(xué)解釋。然后，我希望，我們可以利用這些知識(shí)來(lái)更好地了解核爆炸，并最終更全面地了解核試驗(yàn)所代表的含義。

這一發(fā)現(xiàn)代表了已知最古老的人為準(zhǔn)晶體，它表明可能還有其他自然途徑可以形成準(zhǔn)晶體。例如雷擊鍛造的熔砂的熔石，以及來(lái)自隕石撞擊地點(diǎn)的物質(zhì)，都可能是野外準(zhǔn)晶體的來(lái)源。

研究人員說(shuō)，這項(xiàng)研究還可以幫助我們更好地了解非法核試驗(yàn)，最終目的是遏制核軍備的擴(kuò)散。研究在其他核試驗(yàn)場(chǎng)鍛造的礦物可以發(fā)現(xiàn)更多的準(zhǔn)晶體，其熱力學(xué)特性可以成為核取證的工具。

“了解其他國(guó)家的核武器需要我們清楚地了解他們的核試驗(yàn)計(jì)劃，”華萊士說(shuō).

“我們通常會(huì)分析放射性碎片和氣體，以了解武器是如何制造的或它們含有什么材料，但這些特征會(huì)衰減。在核爆炸現(xiàn)場(chǎng)形成的準(zhǔn)晶體可能會(huì)告訴我們新型信息，而且它們將永遠(yuǎn)存在。

該研究已發(fā)表在PNAS國(guó)際科學(xué)院院刊.

本文的早期版本發(fā)布于 2021 年 5 月。

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