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五年前一月的某个下午，普林斯顿地质学家林肯·霍利斯特打开了一封来自一位从未谋面的同事的电子邮件，主题行为“救命！救命！救命！” 理论物理学家、普林斯顿理论科学中心主任保罗·斯坦哈特写道，他手里有一块非凡的岩石，他认为它是天然的，但他无法确定它的起源和形成。霍利斯特在他五十年的职业生涯中检查过大量的晦涩岩石，并同意看一看。
这块岩石最初是一颗直径两三毫米的致密颗粒，被磨成微观碎片，是光泽金属和黄色调哑光矿物的混合物。它让霍利斯特想起了俄勒冈州的一种叫做约瑟芬岩的物质。他告诉斯坦哈特，这种岩石通常形成于地球核心和地幔之间的地下深处，或者由于某种特定的风化现象而形成于地表附近。“当然，所有这些最终都变成了一条错误的道路，”75岁的霍利斯特说。科学家们对这块岩石研究得越多，它就显得越奇怪。
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五年后，大约 5,000 封斯坦哈特-霍利斯特电子邮件和一次前往俄罗斯东北部荒凉北极冻土带的危险旅程之后，这个谜团变得更加扑朔迷离。今天，斯坦哈特、霍利斯特和 15 位合作者报告了一个漫长而不可思议的侦探故事的有趣结果。他们的发现，详细刊登在《自然通讯》杂志上，揭示了 45 亿年前太阳系的新的方面：不协调的金属块莫名其妙地绕着新生的太阳运行，一次非凡规模的碰撞，以及新矿物的产生，包括一种前所未有的物质。它是一部铭刻在真正独特的岩石地球化学中的戏剧。
“它告诉我们，早期太阳系中似乎发生了我们完全没有意识到的过程，”研究合著者、华盛顿特区史密森学会的高级地质学家格伦·麦克弗森说。“这将成为许多人心中的一根刺，他们试图理解这个相当奇怪的谜团。”
该标本于 2008 年在意大利佛罗伦萨一家地质博物馆的地下室里，在一个标有“khatyrkite”（卡特陨石）的盒子里被发现，它拥有壮丽的准晶斑块，准晶是一种特殊的物质状态，在实验室中被创造出来，但在自然界中从未见过。从冰到钻石，宇宙中所有的晶体都表现出 14 种对称性——它们的原子晶格可以旋转、平移或反射到无法区分的位置。准晶体中，原子以永不完全重复的有序模式排列，具有无限多种可能的对称性。直到 1982 年，以色列科学家丹·谢赫特曼在合成材料中发现了准晶体（为此他受到了嘲笑，并在 29 年后获得了诺贝尔化学奖），这种物质状态才被广泛认为是不可能的。即使在 2009 年，它们仍然是实验室培育的奇物。如果佛罗伦萨标本是在自然界中形成的，它将包含有史以来发现的第一个天然准晶体——这是斯坦哈特 10 年来一直孜孜不倦追求的目标。
在分析标本时，霍利斯特注意到准晶体令人眼花缭乱的图案中含有金属铝，这是一种在地球上永远不会自然存在的物质，因为它很容易与氧结合形成氧化铝。同样存在的金属铁也几乎一样罕见。更奇怪的是，岩石中含有铜。除了在人造合金中偶尔相遇外，铝和铜不会混合。铝与氧结合并抵抗水，而铜与硫结合，溶解在水中并被冲走。“大多数已知的过程将铜与铝分离，”霍利斯特说。“人类可以将这些元素放在一起，但大自然会将它们分开。”
就像在特伦顿的炼铁炉附近捡到的许多奇特的小块，并像祭品一样送到他的办公室一样，霍利斯特认为这个样本一定是炉渣，即金属工厂有时会排放到环境中的固体废物。如果它来自炼铝厂，那么准晶体的存在就不会那么令人惊讶了。自从 30 年前被发现以来，实验室环境中已经制造出了一百多种准晶体。
斯坦哈特被霍利斯特对炉渣的评估击垮了。意大利矿物学家卢卡·宾迪也是如此，他花了数年时间分析佛罗伦萨自然历史博物馆收藏的岩石，然后将有希望的卡特陨石样本运往普林斯顿。如果这块岩石不可能在地球上形成，那么，他们想知道，在太空中会怎么样呢？斯坦哈特拜访了麦克弗森，他是霍利斯特以前的学生，专门研究陨石。但麦克弗森立即赞同霍利斯特的观点，即该样本是合成的。它不像他见过的任何陨石。
尽管感到沮丧，但斯坦哈特和宾迪仍然不愿放弃对自然的探索，在霍利斯特的帮助下，他们在接下来的几个月里逐一分析了晶粒中的微量矿物质，并研究了可能产生它们的工业过程。令他们高兴的是，这块岩石越来越不像人造的了。它散布着稀有甚至未知矿物的有趣岛屿，显然是在极端和动荡的条件下凝聚而成的。最终，一种矿物给了科学家们答案。围绕着一块准晶体的是斯石英，一种超高压形式的石英。“这不是在地球表面的炼铝厂制造的东西，”霍利斯特说。斯石英只能形成于地幔深处或外太空撞击期间。
一种新矿物
斯坦哈特是一位 61 岁的教授，散发出一种沉静的专注力，自从准晶体被发现之前就开始研究准晶体的理论。晶体可以理解为原子基序以一定的频率在空间中重复，而准晶体则涉及两个或多个频率，并且它们的比率是无理数，例如 2 的平方根或黄金分割率。频率的组合永远不会完全重复，因此原子的模式也不会重复。“这有点像空间中的不和谐，”斯坦哈特今年冬天在普林斯顿解释说，他小心地拿着一个准晶体的塑料模型，这个模型他一直放在他的办公桌上。就像不和谐的音符合谋创造出一种循环但非周期性的声音进程一样，“你会看到原子的排列看起来很相似，”他说，“但当你观察这些原子周围的东西时，你会发现这里和那里有点不同。” 缺乏精确的重复性使得准晶体可以具有任何可能的旋转对称性。佛罗伦萨标本表现出二十面体的对称性，二十面体是一种类似足球的原子排列，可以从 60 个不同的角度观察，而结构的整体方向没有任何变化。
目前尚不清楚准晶体是如何形成的。“我们不知道这些原子是如何选择如此复杂的结构的，”日本东北大学的材料科学家蔡安邦说，他研究这个问题已经超过 25 年了。斯坦哈特和他的学生多夫·莱文（现在是以色列理工学院的理论物理学家）在 20 世纪 80 年代提出的一个观点认为，准晶体中的原子可能首先聚集成五边形、十边形或可能无限多种其他形状，然后这些簇遵循特定的规则来控制它们如何与邻居对齐——类似于控制彭罗斯铺砌的几何规则——这会将它们锁定在非理性的、非重复的模式中。另一种理论认为，准晶体是随机组装的：原子形成对称簇，然后以任意方式排列。如果这个理论是正确的，并且没有任何力支配相邻簇必须如何连接在一起，那么这将意味着准晶体不是完全稳定的。“随着时间的推移，它们会分解，”卡内基梅隆大学物理学家迈克尔·威多姆说，他帮助发展了这种“熵”理论。
主要受这场辩论的驱动，斯坦哈特和几位同事于 1999 年开始寻找天然准晶体。发现这样一个物体将使矿物分类列表从 230 个（这 14 种晶体对称性的所有可能组合）扩展到无穷大。它可以指向涉及未知极端压力或冷却的奇特地质过程。最重要的是，它将支持斯坦哈特的观点，即准晶体是真实的、稳定的物质状态，是由未知的原子间力塑造的，而不是最终分解的原子随机集合。“对于保罗来说，知道这种材料在地质时期是否稳定至关重要，”霍利斯特说。
经过多年的失败搜索，期间穿插着虚假的阳性结果，佛罗伦萨标本中斯石英的存在意味着证明：这块岩石及其包含的准晶体是天然的，这证明至少有些准晶体比物理学家在实验室中研究它们的时间长得多。“最引人注目的是它非常完美，”斯坦哈特说。“一个美丽、清晰的图案。” 2010 年，在科学家们花费数月时间向同事展示他们的证据后，国际矿物学协会接受了佛罗伦萨准晶体——Al63Cu24Fe13，或称二十面体准晶——作为一种新矿物。
斯坦哈特说，仍然存在一个大问题：“大自然是如何做到这一点的？” 他将样本送到加州理工学院，分析其三种氧同位素的比率，这可以作为太阳系中一切事物的独特指纹。果然，这块岩石具有陨石的氧指纹，而且是一种稀有而古老的类型：CV3 碳质球粒陨石。这些陨石是 45 亿多年前太阳诞生时代的唯一遗物，正如亚利桑那州立大学化学教授 彼得·布塞克 所说，这些陨石“为我们提供了有关那个时间和地点的独特线索”，并且“对专家具有特殊意义”。1969 年坠落到墨西哥的 CV3 碳质球粒陨石，即 Allende 陨石，通常被描述为历史上研究最多的陨石，其中含有金属同位素，表明引发太阳形成的 газопылевое облако（气体和尘埃云）的引力坍缩可能是由附近超新星的冲击波触发的。
但是，碳质球粒陨石的领先专家麦克弗森表示，即使不考虑准晶体的存在，佛罗伦萨样本也与科学界已知的任何陨石都不同。“这是唯一一块含有任何金属铝的陨石，句号，”他说。“我们正在处理一个统计数据，即一个。”
即使这个数字也夸大了情况，因为多年的测试已将样本减少到灰尘。“我们需要将其置于上下文中，以便弄清楚它是如何形成的，因为这成为了一个大问题，”霍利斯特说。“首先，它是否是天然的就存在争议。然后我们发现了明确的陨石迹象，但问题是：它告诉我们关于外太空过程的什么信息？”
科学家们需要更多的材料，因此他们不得不追溯样本的来源。“我们必须弄清楚这块岩石是如何进入博物馆的，”斯坦哈特说。“我们有的只是一个盒子。”
秘密日记
博物馆档案中的一封信解释说，这个盒子是从一位名叫尼古拉斯·科库克的阿姆斯特丹收藏家那里批量购买的——这个人没有互联网存在，并且有一个常见的荷兰姓氏。这似乎走到了尽头，直到三年前在佛罗伦萨的一次幸运的晚餐。宾迪正在向他的同伴讲述准晶体的故事，这时餐桌上的一位熟人记得一位名叫科库克的老妇人住在她在阿姆斯特丹的街道上。当这位熟人回到家时，她向她的邻居询问了与她同姓的宝石经销商。令人惊讶的是，尼古拉斯·科库克是这位老妇人已故的丈夫。宾迪跳上飞机前往阿姆斯特丹。
这位寡妇对卡特陨石一无所知，但她提出让宾迪翻阅她丈夫的“秘密日记”。在日记中，科库克解释说，他在 1987 年去罗马尼亚旅行时从一位名叫蒂姆的男子那里购买了这种矿物。但是蒂姆是从哪里获得这种矿物的呢？“我们花了六个星期试图找到他，但连一点线索都没有得到，”斯坦哈特说。“我派卢卡回到这位女士那里，看看她是否知道关于罗马尼亚人蒂姆的任何事情。她不知道。但她透露，她的丈夫过去常常写一本秘密的秘密日记。”
那本日记透露，科库克实际上是从列昂尼德·拉津那里购买了这种矿物，拉津当时是俄罗斯圣彼得堡铂金研究所的所长。宾迪认出了这个名字。1985 年，拉津以科学的方式报告并描述了已知的卡特陨石的唯一其他真实实例——“正模标本”，或世界标准，它是在俄罗斯远东地区的科里亚克山脉附近发现的，并保存在圣彼得堡的一家博物馆中。似乎正模标本和佛罗伦萨标本是一起发现的，拉津研究了前者，并出售了后者。但是，当斯坦哈特追踪到拉津并在他在以色列的新家中给他打电话时，拉津说他不记得他是如何获得卡特陨石的了。
线索再次中断。斯坦哈特束手无策，又回到了 1985 年的论文，拉津在论文中报告了卡特陨石的发现。第一段提到了一个名叫瓦列里·克里亚奇科的人，他似乎在这次发现中发挥了作用。联系人告诉斯坦哈特，克里亚奇科可能是一位行踪不定的农村矿工，他在为铂金研究所淘选矿物时捡到了卡特陨石。但不久之后，斯坦哈特在漫无目的地浏览俄罗斯矿物学期刊以寻找更多线索时，在一个 1995 年的另一篇论文的作者中发现了克里亚奇科的名字。“突然之间，我们从一无所获变成了也许，也许，也许这就是我们要找的人，”斯坦哈特说。
科学家们在莫斯科找到了克里亚奇科。他是一位 60 多岁的热情矿物学家，他通过谷歌翻译解释说，拉津确实在克里亚奇科读研究生时聘请他开采铂金。1979 年，他被直升机送到一条名为 Listvenitovyi 的不知名小溪，距离最近的村庄数百英里，并在那里花了几天时间挖掘蓝绿色的粘土。在他淘选的几百公斤粘土中，没有发现铂金，但克里亚奇科确实发现了一些他无法辨认的闪亮小块。他将它们交给了拉津，从此再也没有听说过它们。
值得注意的是，克里亚奇科可以在地图上精确定位这条小溪的确切位置。它流经一个名为楚科奇的偏远地区，这是一个人口密度比撒哈拉沙漠西部还低的自治区，而且位置非常靠东，正如霍利斯特所说，“你可以从那里看到莎拉·佩林。” 楚科奇每年只解冻三周，在那段时间里，只有直升机或定制的雪地履带车才能到达那里。这些车辆类似于坦克，可以在雪地上行驶，碾压茂密的灌木丛，并漂浮过河流。“如果你问大多数地质学家，每个人都会同意，回到过去找到任何东西的机会都很渺茫，这可能是一场徒劳的追逐，”斯坦哈特说。“另一方面，你唯一的机会是和瓦列里一起去。”
2011 年夏天，一个由 13 人组成的队伍，包括斯坦哈特、麦克弗森、宾迪和克里亚奇科，乘坐两辆雪地履带车从偏远的矿业小镇阿纳德尔出发，进入新解冻的苔原。当他们蹒跚地穿过海绵状、崎岖不平的地形时，卡车轮流抛锚，斯坦哈特担心考察队在小溪边的时间不够。经过漫长的四天，车队终于到达了克里亚奇科描述的地点：一条冰冷的水流在科里亚克山脉山脚下奇怪的蓝绿色粘土中蜿蜒流淌。麦克弗森建立了一个临时实验室来筛选候选岩石，考察队员轮流挖掘和淘选，并挥舞着改装的 AK-47 突击步枪来保护队伍免受在该地区漫游的巨型棕熊的袭击。就在第一个下午，一块闪亮的岩石碎片引起了宾迪的注意——他确信那是一块陨石。
到第十天，考察队淘选了一吨半的粘土，从中获得了几公斤有希望的颗粒。当科学家们拆除营地并装载卡车时，他们可以感觉到空气变得越来越冷。“第二天，我们开车越过群山，回头一看，那里已经一片雪白，”斯坦哈特说。“我们实际上是在冬天来临的前一天出来的。”
自然界的怪胎
霍利斯特于 2011 年从普林斯顿大学退休，并以年龄为由没有前往楚科奇，他喜欢说太空岩石为他的职业生涯画上了句号。他于 20 世纪 70 年代开始分析阿波罗宇航员收集的月球岩石。两年前，在他从楚科奇探险队带回来的第一颗滑到显微镜下的晶粒中，有些东西让他想起了几十年前的阿波罗岩石。穿过样本的是由富含铁的环状顽火辉石构成的晶脉，环状顽火辉石是一种高压版本的更常见的矿物，称为橄榄石，就像斯石英是石英的高压变体一样。环状顽火辉石只能在相当于超过大气压五百万倍的冲击下形成——这种冲击是月球岩石经历过的，人们认为，在形成月球的事件中，小行星撞击将它们从地球上撞击出来。但这一次，环状顽火辉石的存在没有道理。碳质球粒陨石是和平形成的，随着越来越多的物质在围绕新生太阳的轨道上聚集在一起而缓慢吸积。“你不会在碳质球粒陨石中发现冲击的证据，”霍利斯特说——至少，从来没有发现过如此极端的战斗伤痕。
迄今为止在楚科奇战利品中发现的九颗陨石晶粒，包括宾迪在第一天幸运发现的那颗，包含各种不太可能的物质，包括天然准晶体二十面体准晶、其他稀有的铝铜合金、纯铝斑点以及环状顽火辉石遍布更常见的镍和铁合金。霍利斯特、麦克弗森和其他科学家在过去两年中一直在研究这种奇特混合物的合理背景故事。“这就是我们建立对太阳星云演化的理解的方式，通过观察这些材料并将它们拼凑成太阳系整体历史的更大故事，”斯坦哈特解释说。
要么是一次史诗般的碰撞引发了二十面体准晶和其他合金的形成，要么是撞击发生在之后。麦克弗森倾向于认为金属首先以某种未知的方式在太阳星云中形成，然后在它们后来融入的小行星与另一颗小行星碰撞时经历了冲击。但是，他承认，这将使陨石变得更加引人注目，“我们大多数人都不真正相信巧合。”
或者，冲击可能已经将准晶体和其他铝铜合金冲击成形，这也可能解释了为什么它们表现出快速冷却的明显迹象（例如从周围晶体中提取的铝金属条），就好像岩石突然被抛入太空一样。但是，铝和铜最初是如何在铁镍合金中结合在一起的仍然不清楚。“当铜仍然是气体时，铝正在形成固体，”麦克弗森说。“这就是为什么准晶体如此奇怪。它让我们大开眼界，看到了我们以前没有认识到的事物。”
然后是前所未有的金属铝的存在。“以前从未有其他陨石暗示早期太阳系中存在金属铝，”霍利斯特说。
总的来说，研究作者表示，需要进一步分析以了解导致太空岩石中奇异物质形成的过程及其影响。“尽管准晶体是整个项目中的一大亮点，”麦克弗森说，“但它们实际上不再是谜团。至少对我来说不是。谜团是合金是如何形成的。”
蔡安邦和其他人在实验室进行的大量研究表明，二十面体准晶几乎可以肯定是一种稳定的物质状态，正如斯坦哈特和莱文长期以来所争论的那样，而不是随机的、分解的聚集体。随着古代例子的发现，现在的证据是压倒性的。“这为这些物质是稳定的这一事实添加了一个感叹号，”莱文说。然而，问题仍然存在：为什么准晶体是稳定的？是什么力将相邻的簇锁定在一起？蔡安邦说，答案“将给物理学带来新的图景”，并补充说，这些答案可能对其他鲜为人知的物质相的稳定性产生影响。
斯坦哈特已经在考虑下一步在哪里寻找更多天然准晶体的例子，也许是那些从未在实验室中见过的准晶体，这可以加深科学家们对它们稳定性的理解。“结果可能是在我的后院，并且由硅和氧以某种奇怪的配置组成，”他说。“它可能仍然坐在我的后院，而我只是不知道。”
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