鉆石傳奇

李念華

眩目光芒的背后

無論你是否擁有過鉆石，你對它都不會陌生。你可以輕易地在眾多珠寶玉石中找出璀璨的天然鉆石，它們的確是遺物主的恩寵和奇跡。

鉆石之所以備受人們的推崇，也許跟鉆石自身的經歷有關。鉆石的生成經歷了漫長的時間(大概30億年)，而要把這些分布在地表深處的寶貝找到并最終挖掘出來又是相當費神的事情：每天在散布于全球的大大小小的礦石采集地上，有數以萬噸計的礦石塊被翻動，目的就是為了從這些礦石中找到為數不多但能夠加工成珠寶的天然鉆石。這讓我們不難理解鉆石昂貴身價的來歷。

但是，鉆石在人們心中作為頂級寶石的地位并不是自古有之。在古代，王公貴戚們收藏天然鉆石的目的與現代大相徑庭。對于古代的權貴者而言，具有濃郁色澤的紅寶石、祖母綠、藍寶石等才是真正的華麗飾品，而那些未經打磨的天然鉆石僅僅是因為具有不可毀滅的特性而通常被用作護身符或表現男子漢氣慨的掛件，幾乎沒有人把它們看成象征美麗的珠寶飾物。

由此可見，鉆石無可匹敵的堅硬特質確實早在古代就已被人們所認識。不過，鉆石所具有眩目光芒這一特性卻是到了現代社會才為人們所認識，并且成為現代人看重并鐘情于它的主要原因。而真正了解鉆石獨特的光學特性，則是近幾十年的新發現。

鉆石的光芒來自精心的打磨。未經切割的鉆石原胚看上去跟普通石頭沒什么兩樣，根本沒有鉆石珠寶所具有的那種光鮮炫目的色澤。18世紀巴西淘金者就曾因為鉆石原胚的“普通”而把它拋置一旁。絕大多數天然鉆石在剛出土時并不起眼，形狀大致呈圓形，其規則的結晶體形狀也只是隱約可見。鉆石本身沒有顏色，只是由于或多或少帶有淺淺的黃、紅、橙、綠、藍或棕色暗影而呈現出相應顏色，有的鉆石甚至呈黑色。

的確，現代人把鉆石用作華貴飾品在一定程度上得歸功于科學家對光的本質的研究。愛因斯坦的著名公式E=mc是眾所周知的。這個公式所反映的是能量與質量之間的關系。式中符號c代表光速，是個不變的常量。然而相對于嚴謹的科學研究者而言，人們忽略了這個公式的一些細節，光速只有在真空中才是恒久不變的常量。當光在空氣、水、玻璃或鉆石等不同物質中運動時，其速度一般低于299330千米／秒，這是因為光在運動過程中受到原子外圍電子的阻擋。通俗地講，就是光沿直線傳播時一旦遇到電子擋道就不得不繞行，因此速度相應有所減緩。

通常情況下，大多數清亮無色的物體只在一定程度上對光速構成阻礙。以我們呼吸的空氣為例，平均每立方英寸(16.4立方厘米)空氣中含有的原子數量有限，兩個原子之間的間距遠遠大于原子自身尺寸，因而對光速的阻礙大約僅為每秒鐘幾百千米，這樣的減速在多數情況下根本微不足道，完全可以忽略不計。而在水或冰當中，由于每立方英寸的原子數量大約是空氣中的數千倍，因此光線在這些物質中的行進速度大約為225260千米／秒，僅為真空中的75％。玻璃窗戶能將光速減緩到193080千米／秒，這樣的速度也是光線在大多數礦物質當中的速度。在含鉛裝飾玻璃當中(通常用來制作樹枝形裝飾燈具和刻花玻璃)，光速更是減慢到160900千米／秒，因為鉛含有的大量電子對光線構成了阻礙。在所有透明物質當中，對光線行進速度阻礙最大的恐怕還得屬鉆石，這主要跟鉆石的分子結構有密切關系——鉆石內部幾乎完全被電子填滿了，以至于光線在這種物質當中的速度甚至達不到128720千米／秒，每1秒中行進的距離比光線在空氣中至少短170610千米。

對于我們絕大多數人來說，在日常生活中我們可能很少注意到光速的變化，但實際上我們每天都在經歷這些變化。每當光線從一種單純媒介進入到另一種媒介當中時，它的行進速度就會發生改變，原本直線運動的光線隨之出現一定角度的偏折。這就是為什么在游泳池中的人和其他物體看上去扭曲變形的原因：光在從水里進入空氣中時速度增加，光波行進方向有所調整，水面的波紋進一步加劇了角度的變化。近視眼之所以佩戴眼鏡或隱形眼鏡，其目的就是矯正進入眼內光線的角度，這也是人類對光學現象的有益開發利用。

光穿越不同介質時也并不總是會發生角度偏移。當光線以垂直角度或特定角度照在某一透明物質時(例如陽光照在家里的玻璃窗上)，大多數射線是不會發生偏折的，它們往往會直接穿透該介質。回想一下，你是否可以在乘船時透過平靜而清澈的湖水一直看到湖底?此時陽光從頭頂射入水里，由于水質清澈透明光線幾乎垂直發射進入人眼，因此你的確可以對湖底景觀一覽無遺。但是，如果當你站在岸邊，那么無論你如何努力嘗試，都無法看到湖底的情況，因為你所在的位置與水面所構成的角度太低了，此時進入你眼中的光線絕大多數來自湖面的發射。因此清晨時分，當你站在岸邊時，看到的景色是如鏡的湖面所映襯出的對面成排樹木的倒影。

而在所有無色介質當中，只有鉆石把光的發射作用發揮到了極致。當光線從各個方向射入一枚精心雕琢的鉆石以后，要么立即被發射出來，要么經過鉆石內部數次發射最終以一整束光線不偏不倚地突圍而出，而后面這一個過程是最具戲劇性的。眾所周知，所謂的白色光束其實是由赤、橙、黃、綠、青、藍、紫七彩光線構成的，這些光線在鉆石內部的折射和反射角度都略微有所不同，而光線行進路線越遠，它所發散出的顏色越多。一般經過兩到三次折騰之后，所有的七種顏色就分別被區分開來。

當前科學家正在努力賦予鋯石(利用鋯元素與氧元素人工合成的結晶物質，一種廣泛使用的鉆石替代品)所具有的類似的光學特質，但鋯石無論是光澤還是堅硬程度都還無法與天然鉆石相提并論。

真假鉆石

只有由碳元素構成且具有獨特的結構，那么鉆石才算得上是真正的鉆石。在實驗室里使用精密工藝只需數小時就能制造出鉆石，無論它多么逼真，你會拿它跟天然美鉆相提并論嗎?

18世紀后期，在一位化學家設法使鉆石完全燃燒之后，人們才最終了解了鉆石的化學構成。當時這位名叫安東尼·勞沃斯爾的專家在實驗室里將一顆鉆石加熱至大約1500攝氏度，而后把它投進液態氧當中，結果鉆石燃燒殆盡。經檢測發現，最后收集到的物質完全是二氧化碳氣體，這說明鉆石的化學構成就是單一的碳元素。這個發現令人們感到吃驚，因為在勞沃斯爾所生活的年代，人們所確定的由單一碳元素構成的物質只有一種一一石墨，而這種又黑又軟的東西只是被用來充當制作鉛筆芯的主要原料罷了。

石墨的分子結構相當精致，呈層狀分布。每個碳原子分別與位于同一平面的三個相鄰的碳原子緊密相連，若干碳元素共同構成結構緊湊的層；相對而言，層與層之間的連接比較薄弱，因此表現在外觀上，石墨的質地比較軟。但是，鉆石卻是世界上最堅硬的物質。鉆石與石墨同為碳原子所組成，為什么它們有天壤之別?這當然與其自身的分子結構有必然聯系。構成鉆石的碳原子同時與周邊四個碳原子構成三棱錐結構，而這種對稱結

構無論從哪個方面看都是十分穩固的，它的分子結構中根本不存在任何薄弱環節，每一處都連接得非常牢固。來自任何方向的外力都不可能破壞這種穩定性，因此鉆石的堅硬程度舉世無雙。

鉆石和石墨兩者的分子結構雖然不同，但憑著具有相同的化學成分，能否將質地柔軟且具有滑動特性的石墨轉化為世間最堅硬且最炫目的鉆石呢?這可是一個近乎天方夜譚的大膽的設想。

1951年，一項代號為“超級重壓”的科研工程在美-_國秘密啟動。該工程的目的就是利用人工合成手段制造出工業用鉆石。當時美國所有軍工企業使用的金剛鉆都完全依賴從南非進口天然鉆石，由于擔心這種特殊緊俏商品的貨源被切斷，美國政府決定開發鉆石供給的新貨源。參與這項秘密工程的科研人員既有化學家，也有物理學家。

這個科研小組遭遇的第一項挑戰就是必須找出能夠將石墨分子結構轉化為鉆石分子結構的方法。科學家發現：石墨的質地盡管偏軟，但其分子結構卻極不容易發生改變。這是因為，石墨層與層之間的連接相對薄弱，很容易在外力作用下成片剝落，但是在同一層中，石墨的分子結構異常緊密，這是因為每個碳原子外圍都有四個電子，它們分別與鄰近的碳原子的電子形成共價鍵，也就是說，每一個碳原子在同一平面上分別與周邊三個碳原子形成共價連接，共同分享三個電子，而剩余的一個電子則在已經形成的環狀結構之內運動，增加了新構建石墨層的牢固程度。

為了找到改變石墨分子結構的辦法，科研小組把關注焦點放在自然界，他們希望了解石墨在自然界中是如何轉變為天然鉆石的。

通過時間測定，人們更加驚嘆于鉆石一一這種來自深層地下的珍稀礦產。天然鉆石通常蘊藏在死火山內部的角礫云母橄巖礦層當中，在距離地表至少140千米以下的地幔層中逐漸形成。地幔是具有緩慢流動性質的地層，這里的溫度高達2000—3000華氏度，壓強更是高達每平方厘米488，27千克。科學家認為，正是在如此高溫高壓的環境當中，碳原子才得以結合成為高度堅實的結晶體一鉆石。

要想制造出鉆石，科學家必須在實驗室中模擬出與地幔層溫度壓力完全相同的環境。制造鉆石的必要條件之一是高溫，至少應該在1000攝氏度以上，而且壓力也必須很高，這樣才能確保在高溫下碳元素不再回復到石墨的分子結構。為了研制出人工合成鉆石所必需的高溫高壓發生設備，科研小組耗費了數百萬美元，經過4年的研究，然而始終沒辦法將石墨轉化為鉆石。“超級重壓”工程陷入了困境，研究小組不得不嘗試在相對較低的溫度和壓力條件下合成鉆石的方法。

這一次他們把重點放在破解石墨的原子結構上。鉆石是結晶物質，它可能是在某種液態環境中逐漸形成的。如果能找出某種溶劑將石墨物質徹底溶解，進而再把松散的碳原子進行結構重組，就可能最終生成鉆石。關鍵是找出能夠溶解碳元素的溶劑。

一顆墜落在美國亞利桑那州的隕石為科學家提供了鉆石生成的線索。人們在隕石表層發現了鉆石微粒。經過推測得出，這是由于當小行星撞擊地球時，在極短時間內釋放出大量能量，而能量的瞬間釋放恰好為鉆石的生成提供了適宜的高溫高壓條件。此外，科學家還在這些鉆石微粒的周圍發現了金屬物質。

對專家而言，這條線索太有用了。他們找出一種叫作隕硫鐵(一種硫化鐵礦物，天然的硫化二價鐵，產生于隕石中)的金屬，希望液態隕硫鐵能夠充當溶解石墨分子結構的有效溶劑。科學家之所以選擇這種金屬，還因為它在從固體到液體的轉變過程中所需的高溫高壓條件比之前模擬地幔環境的條件要低一些。

一切準備就緒之后，人們向石墨管中注入金屬液體，隨后進行加溫加壓操作。由于實驗設備在滿負荷下只能運轉幾分鐘時間，否則可能發生爆炸，因此前后經歷了長達5年的反復試驗，實驗終于取得進展。在零散的碳元素中，科研小組的成員看到了星星點點耀眼的物質一鉆石!

這條消息成為當時世界各大媒體的頭版頭條。如今，人們紛紛投身到制造完美鉆石的隊伍當中，希望能夠制造出珠寶級別的人工鉆石。

在經過艱辛的努力之后，人們終于在實驗室里研制出了具有與天然鉆石完全相同特性的人造鉆石：一樣的硬度，一樣的傳導性，甚至一樣的光澤。如此看來，人造鉆石足以以假亂真。那么，人們又怎么鑒別真假鉆石呢?

珠寶鑒定專家發現，不管是人造鉆石還是天然鉆石，在特殊光線照射后所折射出的光都會有所差異，進而形成不同的光譜。由于各自所具有的瑕疵性質不同，在激光或特殊波長的光線照射后所折射出的光有所差異，因此利用專業光譜儀就可以區別天然鉆石和人造鉆石。經過數百次試驗之后，鑒別專家終于確定出人造鉆石與天然鉆石的惟一區別：在紫外燈的短波照射之下，人造鉆石會發光，而天然鉆石幾乎無動于衷。而且在關閉紫外燈以后，人工鉆石還會持續發出磷光，也就是說，在一片漆黑之中，人們依然能夠看到“鉆石”在閃閃發光。

這種磷光現象其實跟鉆石的形成過程有密切關系。天然鉆石是正八面體結構，人造鉆石由于是在人工條件下生成的，所以部分生成為正六面體結構，屬于正六面體和正八面體混雜結構。由于結構有所區別，所以兩種鉆石對紫外線的吸收差異就自然表現出來了。而且在人工鉆石中氮元素聚合體等雜質(瑕疵)可以將紫外線吸收后再緩慢釋放，這就形成了所謂的磷光現象。

現在，人們利用磷光現象對珠寶進行鑒定，方法是先用紫外燈照射鉆石，然后關閉紫外燈，觀察鉆石是否發出磷光。

隨著科學技術的高速發展，人類社會已進入了原子構筑時代，科學家已經能夠在微觀(納米)層面上對原子構造進行自如操控，也許終有一天，科學家能夠制造出與天然鉆石相差無幾的人造鉆石來。

到了那一天，人造鉆石達到與天然鉆石完全相同的品質，對人們來說，真假之辨很可能就只能是一種心理層面上的較量。對于消費者而言，這就跟選擇名畫或復制品差不多，一幅畢加索的名畫價值3000萬美元，相比之下復制品幾乎一文不值。

有人曾對心儀鉆石的女性進行過一次廣泛調查。當被問及“面對品質完全相同的一枚4克拉人工鉆戒和一枚2克拉天然鉆戒，你會如何選擇?”這個問題時，幾乎所有的人都選擇了大的那枚，也就是那枚人工鉆戒。可見，當人工產品達到與天然鉆石并駕齊驅的程度時，或許真與假的較量也就沒有任何意義了。

1981年，一支南極科考隊的專家在對一大塊含鐵隕星進行取樣時，吃驚地發現他們使用的采樣工具鋸齒全部折斷了，經過×射線檢測他們發現隕星內密布著大量鉆石顆粒。

1987年，美國科學家發現這些隕星內部的鉆石顆粒十分微小，甚至可以將1萬億顆鉆石微粒同時裝在一枚大頭針的針頭上。科學家們還發現這些鉆石微粒的結晶體當中含有同位素氙氣(化學符號xe)，而這種物質在地球上尚未找到，這就說明這些鉆石的確來自太陽系之外的遙遠太空。

科學家進而推測，這種透亮的結晶體很可能形成于

數十億年前的某一顆恒星。這應該是一顆即將死亡的恒星(天文學中把這樣的恒星稱為超新星)，恒星因坍塌而引起大爆炸，爆炸中，恒星的組成物質包括鉆石被送到廣闊無垠的太空當中，而其中一部分恰好落到了地球上。如果上述猜想是正確的，那么可以想像當時星際間彌漫著充滿鉆石微粒的塵埃物質。

當然，有一部分鉆石很可能產生于流星或隕星撞擊地球瞬間進發的火花當中。20世紀60年代，科學家在美國亞利桑那州考察流星撞擊形成的黛布羅隕坑時發現了大量鉆石微粒。

從發現黛布羅隕坑鉆石至今已經過去30多年了，科學家仍不能確定這些微型鉆石的成因。一些科學家認為，這些鉆石是在外太空的真空環境當中通過蒸發沉積的方式形成的(這也是目前人造鉆石所遵循的制造原理)。另一些科學家則堅持認為，這些鉆石是蘊含在隕星當中的碳原子在超級高溫和猛烈撞擊條件下重新排列組合而形成的。

盡管目前還沒有人能說明隕星鉆石究竟是怎么產生的，但他們已經找到證據，可以證明當天體物質與地球發生猛烈碰撞時的確升騰起厚厚的塵土，并在隨后飄散到全世界，這些塵土當中蘊含著大量新生成的鉆石微粒。1991年，加拿大地質學家就在距今約6500萬年前的地質層當中發現大量鉆石微粒。據考證這一時期恰好是一顆巨型流星撞擊地球并最終導致恐龍滅絕的時期。這些被看成是大爆炸產物的呈顆粒狀分布的鉆石，會不會也像銥金屬層的存在一樣，成為遠古時代那場超級大災難的證據之一呢?這個問題還有待進一步考證。

除了那些落入“塵世”的“天外來客”，在地球周邊的行星上也可能存在大量鉆石。據研究行星的專家介紹，在太陽系第七和第八個行星(即天王星和海王星)的核心地帶可能存在數千米厚的鉆石帶。天王星和海王星的個頭差不多是地球大小的4倍，它們的外層主要是氫和氦，外層物質之下是所謂的大氣層，大概含有10％—15％的甲烷(一種碳氫化合物)。在介于高密度的大氣層以下至巖石核心以上的區域溫度大約為300012000華氏度，氣壓則是標準大氣壓的20萬—600萬倍。顯然，這樣的環境是十分有利于鉆石生成的。實驗也發現，當甲烷在極度高壓和振蕩環境下在蒸發的瞬間確實有鉆石短暫形成。

需要說明的是，無論是太空中廣泛存在的鉆石，還是天體物質撞擊地球所形成的鉆石微粒，它們都跟我們平常所熟悉的鉆石珠寶大相徑庭，這些鉆石微粒幾乎是肉眼無法看見的，而含有豐富鉆石的天王星和海王星與地球分別相距23.8億千米和38.08億千米之遙。因此，研究天外鉆石最大的益處是推斷科學的發展，而無法造就一夜暴富的人。