第六号元素

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  2025-04-07
  超深钻石是我们星球内部最深的固体物质样本。有意思的是，长期以来因其美丽而备受珍视的钻石，是一座我们借以了解地球深处的、以前无法想象的独特宝藏。没有它，我们将永远无法知晓不可直接触及的深度的地质状况。我们可以将航天器发送到太阳系边缘甚至更远的地方，但我们似乎不太可能建造一个装置，从660千米深的下地幔顶部取回样本，因为那里的温度高达1600摄氏度，压力为24吉帕（24万个大气压）。超深钻石是一种神奇的工具，可以像小型偷渡者一样，将深层地质材料的微小包裹体运送到地面供人们研究，而且这些包裹体受到钻石令人难以置信的坚固保护。它们为探索地球内部深处——包括410～660千米甚至更深的地幔过渡带(MTZ)——提供了一种真正独特的研究手段。地幔过渡带标志着上地幔与下地幔之间的边界，这两个区域因其地震特性而彼此不同。
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  2025-04-07
  14C的另一项令人印象深刻的应用是，它提供了地球上未被人类注意或记录下的古代地磁暴的记录。最著名的地磁暴事件是1859年的卡林顿事件。当时，很多业余天文学家都观察到太阳上出现了一个巨大的耀斑，不到一天的时间，来自太阳的高速带电粒子便到达地球，产生了耀眼的极光和奇怪的磁效应。这些带电粒子还在电报线路中感应出电流，扰乱通信，引发线路火花，甚至引发火灾。有人估计，如果今天发生类似的事件，可能会对通信网络、电网和卫星通信造成广泛破坏。1989年，一次较小的太阳耀斑引发了一场地磁暴，导致加拿大魁北克大片地区的电力中断。2012年，日本物理学家三宅芙沙发现，她可以通过测量非常古老的日本雪松年轮中的14C来探测更古老、更大的辐射事件。她发现，公元774年的一次事件导致14C丰度比前一年增加了1.2％。根据同位素记录，公元774年的这次事件是近11000年来最大的一次，它在地球的每平方厘米表面产生了超过1亿个放射性碳-14原子。这一事件还产生了氯和铍的放射性同位素，这些同位素存在于公元774年降雪形成的冰芯中。树木年轮中记录的这些重大事件大约每千年发生一次，它们都被称为三宅事件。其他三宅事件分别发生在公元993年、公元前660年、公元前5259年、公元前5410年和公元前7176年。在现代世界，这种来自太空的高能粒子轰击事件让我们深感担忧，因为大多数人都依赖可靠的电力，以及随时在各处传输高质量数字信息的能力。三宅事件确实发生过，但有些事件与太阳耀斑产生的风暴不同，它们的起源仍然很神秘。
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  2025-04-07
  你可能不知道（如果你不是天文学家）酒精也存在于太空、星际云和彗星中。尽管恒星之间的空间几乎是真空的，但空间太大了。一份备受尊敬的期刊上有一篇学术论文报告，它声称一团星际云中大约有1028个酒精分子。
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  2025-04-07
  最初的胶带是由布或纸做的，但今天的许多胶带都是由塑料制成的。胶带的发明发生在古代，早在它被用来包裹木乃伊之前就有了，但其发展过程中的重大进展则发生在20世纪20年代。这要归功于3M公司，它是一家生产砂纸的公司。这种新胶带被用在给汽车喷漆的过程中，以防止不同颜色的油漆混合在一起，它被称为遮蔽胶带。后来，在第二次世界大战期间出现了“鸭子胶带”（Duck tape，防水胶带），因为它能够像鸭子一样分水。对于它的发明，似乎有两方都声称拥有发明权。第一个是3M公司的工程师理查德·德鲁，第二个是第二次世界大战期间强生公司的子公司，该公司用它来防止湿气进入弹药箱。这两项发明似乎是相互独立地做出的。后来，“强力胶带”（duct tape，管道胶带）一词被用于推广，这种胶带是密封通风管道接头的一种手段。强力胶带经过特殊处理后具有更好的性能，如耐热性。
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  2025-04-07
  世界上大部分近地表的碳并不是包含在化石燃料、大气或生物体中，而是被锁在碳酸盐中。这类岩石对我们来说非常重要，因为它被用来制造水泥。自罗马时代以来，水泥就是一种宝贵的建筑材料。如果将石灰石（碳酸钙）加热到1400摄氏度以上，那么此时碳已被排出，主要留下的是白色的石灰（氧化钙）。石灰与其他材料混合形成水泥。水泥与沙子、岩石和水混合后，形成混凝土，这就是现代世界的基础。在未来10年内，人类制造的混凝土的累积质量将超过我们星球上的生物量。如果没有钢筋加固的混凝土，我们的世界将完全不同。混凝土和铁，虽然在很大程度上被人们熟视无睹，却是使现代生活成为可能的神奇材料。它们结合在一起是因为混凝土梁和柱的内部必须有钢筋，才能提供现代建筑所需的抵抗地震应力的强度。生产水泥带来的二氧化碳排放约占世界总排放量的5％。大约有1/2的温室气体来自燃烧用于加热石灰石的化石燃料，另外1/2来自碳酸钙向氧化钙的化学转化。除此之外，还需要额外的能量来混合这些重型材料并将其运输到安装现场。
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  2025-04-07
  碳的能量对运输固然至关重要，但富含碳的化合物在机械润滑中的作用则往往未被重视。石油和其他湿滑的、富含碳的流体，使人类能够制造必要的运动部件。战车、厢式货车、蒸汽机车、内燃机、齿轮箱和涡轮机之所以能使用，正是因为有碳基薄膜润滑剂在其中起着作用。
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  2025-04-07
  人们逐渐意识到，比之矿井和油井，核反应堆的好处更大一些，这就像生活中的许多事情一样需要权衡。一方面，放射性废物需要处理（其放射性可以持续数千年），还有可能被恐怖分子用来制造炸弹；另一方面，核能避免了大规模采矿或钻探带来的危险，并大大减少了排放到大气中的碳。解决这些问题的最佳方法可能是采用聚变反应堆。聚变反应堆的原理是利用氢原子核彼此结合来产生能量，而不是分裂重原子核。恒星做到了，为什么我们不能？如果聚变反应堆变得实用，这将是我们从长期依赖碳能源向从海洋获取燃料的一次重大转变。聚变反应堆以氢为燃料，而海洋中蕴藏着极为丰富的水。理想情况下，聚变反应堆不会产生废物，而且我们有取之不尽用之不竭的燃料供应。但首先要解决一个问题：如何让两个氢原子核靠得足够近以便发生聚变。两个氢核都带有相互排斥的正电荷。要让它们非常紧密地聚在一起，需要极高的温度。在恒星中，支撑外层重量不使其向内坍缩所需的向外的压强是通过足够高的核心温度来实现的（核心温度高到足以引发聚变反应）。因此，我们必须创造出一种环境来模拟恒星内部的条件，这很困难，不过困难也要做。全世界已经设立了几个项目来开发聚变反应堆，但成本高昂和技术困难导致进展缓慢。在过去的半个世纪里，聚变研究的突破一直是我们面前的胡萝卜，虽遥不可及，但总是给人以希望（总是说再有10年时间就可行了）。正如科米蛙常说的那样：“变绿并不容易。”
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  2025-04-07
  化石能源的一个替代方案是核能。在世界各地，大约10％的电力来自核反应堆。法国电力的70％以上来自裂变反应堆；中国目前约为5％，但计划到2035年建造150座新的动力反应堆。一些国家（包括澳大利亚）则没有核能。美国是世界上最大的核能生产国，在过去30年里，核反应堆为美国人提供了近20％的电力。核能有其优势：巨大的能源供应；理想情况下，不存在对空气或水资源的污染（或是污染不太多）；不需要过多采矿来获取铀，甚至随着增殖反应堆的使用，这种情况还会减少。虽然核能被一些人视为绿色能源，但1986年切尔诺贝利核事故和2011年福岛第一核电站事故等灾难清楚地表明，核能存在环境风险，而我们对这些风险的了解并不充分，能力上存在不确定性。日本福岛第一核电站事故发生后，德国开始了一项逐步淘汰核能、恢复使用煤炭的计划。德国2022年确立的目标是：到2035年，可再生能源占其总能源的100％。但这一转变的影响仍在讨论中，2022年俄乌冲突和全球变暖的多方面因素使局势变得复杂。
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  2025-04-07
  我们星球上大多数独特的可燃性岩石宝藏，都是地球历史上的那段时期生成的。当时，广袤的湿地被沉积物掩埋和覆盖，它们的有机质没有腐烂，而是变成了煤。具有讽刺意味的是，我们的大部分煤炭都是在同一段历史时期生成的，当时二氧化碳的浓度变化很大，从远高于现在的水平变到远低于现在的水平——当时的低水平被认为是植物快速生长并被埋葬的结果。二氧化碳浓度的大幅度下降可能导致地球进入冰期，甚至更糟。
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  2025-04-07
  多年后，得克萨斯州、加利福尼亚州、俄克拉何马州和其他地方都有了巨大的新发现，美国的石油业务从未有过如此辉煌。被命名为“纺锤顶”的第一个重大发现在得克萨斯州，它使宾夕法尼亚州的所有石油产量相形见绌（图6-1）。这口自喷井的发现堪称传奇。该石油源头所在的地区原本是一个盐丘，因此得名。经过几年的开采和不时地投入资金，到1901年，一个小组在大约1140英尺[插图]深处发现了石油。此处自喷井的油喷高度达到150英尺，产生了前所未有的巨大石油流。短短几个月内，石油工业重心就从宾夕法尼亚州转移到得克萨斯州。自然地，犯罪分子也进来了，就像发现任何有价值的资源后的情形一样。这伙人在合法注册的油井旁边通过挖斜井来偷油。得克萨斯州游骑兵不得不出面解决问题。与此同时，在世界的其他地方也发现了石油，包括中东、加拿大、巴西、哈萨克斯坦、俄罗斯、挪威、东非和拥有巨大储量的墨西哥。
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  2025-04-07
  石油在现代世界的发展中发挥着关键作用。1857年，埃德温·德雷克定居在美国宾夕法尼亚州西部的小镇泰特斯维尔。他听说有人看到附近农场的地里渗出油来，但油在水坑里，没有用。几千年前，人们就知道石油的好处。尽管那时汽车还没有被发明出来，但石油润滑了工业革命时期的发动机和各种机器的所有运动部件，从马车车轮到机车无一例外。石油还因被用于煤油灯而备受追捧，煤油灯是当时的主要照明来源。德雷克当即试图找到一种提取石油的方法。德雷克和纽约银行家乔治·比塞尔一起，将用于开采盐矿的钻探技术转用到石油钻探中。1859年，在经历了几个令人沮丧的干井后，两人终于找到了多到具有开采成本效益的石油。紧接着，开采石油的热潮开始了，油井在该地区遍地开花。当时，世界上大约1/2的石油产量都集中在宾夕法尼亚州西部。
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  2025-04-07
  至于水的重要存在，我们没有任何关于金星早期历史的信息，但金星很可能在早期有与地球一样多的水。金星几乎由二氧化碳组成的稠密大气表明，它由大量的碳形成并保留下来；事实上，金星大气中的碳含量几乎是地球的100万倍。如果金星大气层中的碳在金星表面转化为固体碳，那么其厚度约为1000米。如前所述，年轻的太阳比现在暗，金星最初可能有海洋，但最终消失在太空中。由于离太阳较近，金星上的阳光强度几乎是地球的两倍，这可能是金星现在成了一颗干燥行星的根本原因。人们普遍认为，金星上有过一段温室效应主导的时期，在此期间，从太阳捕获的能量无法通过将能量辐射回太空来平衡。这种正反馈导致了失控事件，让金星上的温度升高，热到足以融化表面的岩石。金星上地狱般的温室历史可能是由水蒸气驱动的，这导致海洋因流体动力学逃逸（大气气体向外流入太空）而消失。海洋也可能因大气顶部水分子的光化学分解而消失，一些被释放的原子和分子的速度高到足以逃逸。
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  2025-04-07
  20世纪60年代的雷达和航天器观测显示，一颗非常热且倒着旋转的行星不可能维持生命存在。此外，裹着这颗行星的云不是由水组成的，而是主要由微观硫酸气溶胶组成的。其他一些次要气体也发挥着重要作用，例如：二氧化硫(SO2)也存在于金星的云层中，它是高层大气对紫外辐射的吸收剂。由于二氧化硫吸收紫外辐射，因此它的作用与地球大气层中臭氧的作用非常相似。就全球变暖而言，金星受到双重打击：二氧化碳和二氧化硫都会锁住热量。俄罗斯和美国都派出过机器人航天器飞临，甚至降落在金星炽热的表面，并坚持了一段时间，最终被烧毁。降落在岩石表面的着陆器发现，金星上不存在维持生命的条件。金星表面平均温度为464摄氏度，“大气”压强是地球上的100倍。由穿透云层的雷达绘制的非常详细的地图显示，熔岩流覆盖着广阔地区，大的撞击坑蔚为壮观，高耸的火山此起彼伏。金星贫瘠的表面热得足以融化铅，难怪着陆器无法保存。
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  2025-04-07
  你可能认为，那些拥有最大宜居带的恒星系统最有可能存在生命。但还有另一个重要的考虑因素：恒星的预期寿命。拥有最大宜居带的恒星都是热星，它们燃烧得相对较快。质量最大、最热的恒星在爆炸成为超新星或消失在黑洞之前的寿命非常短。最热的恒星在不到100万年的时间内（用不了数十亿年）就成为超新星。即使存在任何原始生命形式，它们也不会有太多时间演化成更复杂的生物。考虑到地球上最早的原始生命形式花了大约10亿年的时间才形成这一事实，科学家通常将比太阳热得多的恒星排除在复杂生命的宿主星范围之外。另一个因素是恒星的性质随着年龄的增长而变化。即使一颗行星现在处在宜居带之外或之内，它也可能不总是处于这种状态。当太阳内部的氢转化为氦时，它的光度在增加。如前所述，在太阳生命的大部分时间里，每10亿年它就会增亮约10％。在行星形成后的50亿年里，当太阳的亮度较低时，金星可以处于太阳的宜居带内，而火星可能自形成以来一直处于宜居带。这里使用“可以”和“可能”这两个词是因为该区域的内外边界无法准确预测或确定，类地行星在其一生中可能会经历一系列复杂的过程。如果我们能把地球移到离太阳远近不同的位置上，我们就能看到在10亿年的时间尺度上会发生什么。当太阳最终成为红巨星时，就连冥王星上也可能有液态水（至少在靠近其表面处是这样），而地球和火星则会被炙烤。所有原本处在宜居带内的行星的宿命都是如此，最终它们的恒星会变得过于明亮。年轻的恒星情形又如何呢？新形成的恒星会经历这样一个阶段，它们比稳定下来成为正常恒星时要亮。这种“青春期”躁动主要发生在质量比太阳小的恒星上，这些恒星周围的年轻行星会在享受可能持续数十亿年的正常宜居带条件之前被预先烘焙。
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  2025-04-07
  米勒-尤里合成实验所产生的氨基酸与生命体中所含氨基酸的不同之处在于，前者是外消旋化合物——也就是说，它们含有数量大致相等的左旋氨基酸和右旋氨基酸。与之相反，生命过程中产生和参与生命过程的20种氨基酸几乎完全是左旋的。分子的左旋或右旋性质被称为手性。如果一个物体或分子能够与其镜像区分出来，它就是有手性的，就像你的左脚很容易与右脚区分开来，因此不会穿错鞋一样。由于它们的形成和利用过程，生命是以手性分子为基础并需要手性分子的。（分子的手性是年轻的路易·巴斯德于1848年最先发现的。）现在，事情变得有点儿棘手。无论如何，必须通过某种过程制造出正确的分子，而这种过程用于制造氨基酸、蛋白质、核苷、RNA及其他生命体中使用的分子。这就解释了为什么最初的生命形式是由核苷还是氨基酸（换种说法，RNA还是蛋白质）组成这个初始难题，现在的答案倾向于RNA，因为它们携带着自我复制的信息，而且我们现在已经知道RNA分子具有催化活性，能引发必要的化学反应。所有制造复杂分子的复杂化学过程，都必须按照正确的顺序和方向进行测序。关于这种情况是如何发生的，人们提出了一些假说（例如，有人提出，正确的排列最初可能发生在石英或某种黏土等矿物的晶体结构），但实际机制仍是一个谜。我们正在努力提高对前生命化合物如何形成生命的理解。一种观点认为，关键事件可能发生在海底罕见的热水喷口或陆地温泉附近。这些特殊的环境可能通过非生物方式产生了许多类型的大分子，然后这些大分子自然地被包裹在细胞样膜中。这种膜内物质的集中导致了原始生命形式和代谢途径的演化。
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  2025-04-07
  试图了解生命的起源和演化过程，是最宏大也最困难的科学探索任务之一。在20世纪50年代，科学家开始进行实验，试图重现地球早期的状况。这些实验的起点是将水放入一个充满早期大气可能含有的气体的容器，然后施加能量以破坏其中的化学键。1953年，美国科学家哈罗德·尤里和斯坦利·米勒率先进行这一实验，他们在一个装有“海洋”（水）的烧瓶中调制出含有甲烷、氨和氢气的原始大气。他们用水面上方的电极所产生的火花来模拟原始地球大气中的闪电放电。火花提供的能量破坏了化学键。一周后，米勒-尤里实验中的混合物变成黄色，最终变成深棕色。打开容器后，在这个实验中新产生的化学物质混合物有点儿食物的味道，与原始成分难闻的氨味形成鲜明对比。尤里和米勒分析了这种棕色“黏液”的成分，发现了大量的氨基酸。通过一个非常简单的装置，他们用简单的分子产生了一些生命的基本组分。后来，其他实验者表明，将实验所用物质暴露在紫外线下就会产生非常相似的结果。近20年后，人们在一颗降落在澳大利亚的富含碳的陨石中发现了地外非生物氨基酸（也称为非蛋白质氨基酸）。这些实验和现象表明，至少生命所需的某些基本重要分子可以在早期的地球或其他地方制造出来，并在地球上存在任何生命之前从太空中释放出来。
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  2025-04-07
  还有一个对我们星球上的生命非常有利的神秘因素，那就是地壳板块构造过程。它将海底的碳酸盐带到地底的足够深处，在那里分解并释放出二氧化碳气体，最终二氧化碳自行回到大气层——其中大部分是通过火山喷发实现的。第8章将详细描述这种由二氧化碳源驱动的碳酸盐-硅酸盐循环。这种循环在地球上已运行了数十亿年，但似乎没有发生在其他行星上。这一过程在有海洋的类地行星上可能很常见，也可能很罕见；目前我们没有证据。同样有可能的是，一颗没有板块构造的行星仍有能力通过与板块运动无关的火山作用来进行地质碳循环过程。碳酸盐-硅酸盐循环在地质时间尺度上进行，当地球趋于长期冷却时，这个循环起着恒温器的作用，可使地球保暖；当地球趋于变暖时，它导致地球冷却。这种负反馈作用有助于保持地球气候的相对稳定。气候稳定性对复杂生命具有重要价值，因为它可以降低物种的灭绝率。虽然灭绝事件可以促进生命的多样性，但如果发生得太频繁，就会减少这种多样性。例如，我们不妨想象一下，如果导致恐龙灭绝的小行星撞击每一万年发生一次，而不是预期的每一亿年发生一次，那将是什么景象？如果是这样，自上一次覆盖今西雅图、芝加哥和纽约的冰川融化以来，人类就已经灭绝了。
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  2025-04-07
  在地球上，除了水和碳，还有许多因素增强了高级生命的长期生存能力。一个明显的例子是地球的卫星——月球，与地球本身的大小相比，月球是一颗异常大的卫星。月球的引力有助于稳定地球的自转轴，从而在很长一段时间内保持温度季节性波动的相对稳定性。地球的这种稳定性与火星的情形形成鲜明对比。火星的自转轴急剧摆动，这使得太阳热量在火星表面的分布也跟着改变。火星有两颗卫星，但它们太小，无法稳定火星的自转轴。如果一个物种在火星的中纬度区域发展，并在其自转轴倾斜程度较小的季节适应了生存，那么当自转轴倾斜到较大的角度，导致剧烈的季节变化时，这个物种就将受到极大的挑战。当一颗行星的自转平面高度倾斜时，每个轨道周期内落在极地的太阳能要比落在赤道上的太阳能更多。不稳定的星球往往有较极端的长期气候变化，这会对生命构成骚扰，并导致无法适应变化的物种灭绝。地球的大卫星——月亮会引发地球上的潮汐，使潮汐期间水的涨落交替地润湿大气，并将有机物质暴露在大气中。虽然一颗稳定的大卫星的存在对于行星上生命的演化可能并不重要，但它无疑是一个积极因素，增强了地球的宜居性，降低了动植物物种的灭绝率。月球这颗相对较大的卫星，直径接近地球的1/3，被广泛认为是由于地球和火星大小的物体碰撞而形成的。
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  2025-04-07
  20世纪50年代，加州理工学院的克莱尔·帕特森确定了地球和太阳系的第一个确定年龄。帕特森在测量铅同位素的工作中发现，我们生活的环境中存在必须认真处理的巨大铅背景污染。这种铅背景污染不是天然的，而是由数千年人类的使用积累起来的，从罗马的管道到用于涂刷房屋的油漆，不一而足。铅污染的一个主要来源是四乙铅，它被添加到汽油中是为了使发动机运行得更平稳。这种东西有点儿像化石燃料在我们的大气中悄悄积累的温室气体二氧化碳。人类加工的铅一直在全球环境中积累，没有人注意到或关心这种状况。人们发现，环境中的铅污染会导致严重的健康问题，如儿童智力下降。顶着工业界强烈反对的压力，帕特森在确定地球年龄方面的英勇努力，最终形成了禁止在汽油、管道、水冷却器、油漆、盘子和玩具等产品中使用铅的全球共识，这是基础科学研究改变我们生活的世界的经典例子。
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  2025-04-07
  当碳与其他元素结合时，它们可以形成几乎无限多种化合物。这些化合物是如此重要，以至于它们有自己的学科类别名称，叫作“有机化学”。碳单质有几种已知的天然形式，而非天然的形式至少有一种。最简单的碳单质形式就是只有一个原子，但这种形式的碳在地球上是无法找到的，因为碳原子总是附着在任何东西上形成分子。只有在与世隔绝的星际空间中，才能发现单个碳原子。比单个碳原子复杂的是碳链，也就是碳原子排成一行形成的单链，它们的自然状态也只能存在于星际空间。在碳原子相互结合后，它们可以形成被称为石墨烯的薄片。当石墨烯片堆叠在一起时（这很容易做到），我们就有了石墨，这种材料可以让铅笔画出黑线。石墨烯片还可以卷曲形成微小的中空纳米管，进一步卷曲则可以形成富勒烯（也称巴基球，以发现者巴克敏斯特·富勒的名字命名）。自然界中最丰富的富勒烯形态就是类似足球的准球状分子C60。众所周知，碳还可以形成最高级的矿物——钻石晶体。我们将专门辟出一章来介绍它。纯碳环也是可能存在的：由18个碳原子构成的环碳分子是目前唯一被制造出来的纯碳环。理论上早就预测了这种结构的存在，但直到2019年，人们才真正合成这种结构。因此，尽管我们已知的碳的形态多得令人难以置信，但总有更多的形态等待着我们去发现。