鑽石的傳奇與科學，這種奇怪石頭以前幾乎沒有人把它看成寶石！

眩目光芒的背後

無論你是否擁有過鑽石，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鑽石，它們的確是「造物主」的恩寵和奇蹟。

鑽石之所以備受人們的推崇，也許跟鑽石自身的經歷有關。鑽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並最終挖掘出來又是相當費神的事情：每天在散佈於全球的大大小小的礦石採集地上，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鑽石。這讓我們不難理解鑽石昂貴身價的來歷。

但是，鑽石在人們心中作為頂級寶石的地位並不是自古有之。在古代，王公貴戚們收藏天然鑽石的目的與現代大相徑庭。對於古代的權貴者而言，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鑽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徵美麗的珠寶飾物。

由此可見，鑽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，鑽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，並且成為現代人看重並鍾情於它的主要原因。而真正了解鑽石獨特的光學特性，則是近幾十年的新發現。

鑽石的光芒來自精心的打磨。未經切割的鑽石原胚看上去跟普通石頭沒什麼兩樣，根本沒有鑽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鑽石原胚的「普通」而把它拋置一旁。絕大多數天然鑽石在剛出土時並不起眼，形狀大致呈圓形，其規則的結晶體形狀也只是隱約可見。鑽石本身沒有顏色，只是由於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，有的鑽石甚至呈黑色。

的確，現代人把鑽石用作華貴飾品在一定程度上得歸功於科學家對光的本質的研究。愛因斯坦的著名公式E=mc2是眾所周知的。這個公式所反映的是能量與質量之間的關係。式中符號c代表光速，是個不變的常量。然而相對於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恆久不變的常量。當光在空氣、水、玻璃或鑽石等不同物質中運動時，其速度一般低於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於原子自身尺寸，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，由於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(通常用來製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鑽石，這主要跟鑽石的分子結構有密切關係——鑽石內部幾乎完全被電子填滿了，以至於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。

對於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。這就是為什麼在游泳池中的人和其他物體看上去扭曲變形的原因：光在從水裡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並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(例如陽光照在家裡的玻璃窗上)，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裡，由於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，那麼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，只有鑽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鑽石以後，要麼立即被發射出來，要麼經過鑽石內部數次發射最終以一整束光線不偏不倚地突圍而出，而後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，這些光線在鑽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後，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，一種廣泛使用的鑽石替代品)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鑽石相提並論。

真假鑽石

只有由碳元素構成且具有獨特的結構，那麼鑽石才算得上是真正的鑽石。在實驗室里使用精密工藝只需數小時就能製造出鑽石，無論它多麼逼真，你會拿它跟天然美鑽相提並論嗎?

18世紀後期，在一位化學家設法使鑽石完全燃燒之後，人們才最終了解了鑽石的化學構成。當時這位名叫安東尼·勞沃斯爾的專家在實驗室里將一顆鑽石加熱至大約1500攝氏度，而後把它投進液態氧當中，結果鑽石燃燒殆盡。經檢測發現，最後收集到的物質完全是二氧化碳氣體，這說明鑽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製作鉛筆芯的主要原料罷了。

石墨的分子結構相當精緻，呈層狀分布。每個碳原子分別與位於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，鑽石卻是世界上最堅硬的物質。鑽石與石墨同為碳原子所組成，為什麼它們有天壤之別?這當然與其自身的分子結構有必然聯繫。構成鑽石的碳原子同時與周邊四個碳原子構成三稜錐結構，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，因此鑽石的堅硬程度舉世無雙。

鑽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鑽石呢?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製造出工業用鑽石。當時美國所有軍工企業使用的金剛鑽都完全依賴從南非進口天然鑽石，由於擔心這種特殊緊俏商品的貨源被切斷，美國政府決定開發鑽石供給的新貨源。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鑽石分子結構的方法。科學家發現：石墨的質地儘管偏軟，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，而剩餘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鑽石的。

通過時間測定，人們更加驚嘆於鑽石一一這種來自深層地下的珍稀礦產。天然鑽石通常蘊藏在死火山內部的角礫雲母橄岩礦層當中，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，這裡的溫度高達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鑽石。

要想製造出鑽石，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。製造鑽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。為了研製出人工合成鑽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鑽石。「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鑽石的方法。

這一次他們把重點放在破解石墨的原子結構上。鑽石是結晶物質，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，進而再把鬆散的碳原子進行結構重組，就可能最終生成鑽石。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鑽石生成的線索。人們在隕石表層發現了鑽石微粒。經過推測得出，這是由於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鑽石的生成提供了適宜的高溫高壓條件。此外，科學家還在這些鑽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，產生於隕石中)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。

一切準備就緒之後，人們向石墨管中注入金屬液體，隨後進行加溫加壓操作。由於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，因此前後經歷了長達5年的反覆試驗，實驗終於取得進展。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鑽石!

這條消息成為當時世界各大媒體的頭版頭條。如今，人們紛紛投身到製造完美鑽石的隊伍當中，希望能夠製造出珠寶級別的人工鑽石。

在經過艱辛的努力之後，人們終於在實驗室里研製出了具有與天然鑽石完全相同特性的人造鑽石：一樣的硬度，一樣的傳導性，甚至一樣的光澤。如此看來，人造鑽石足以以假亂真。那麼，人們又怎麼鑒別真假鑽石呢?

珠寶鑒定專家發現，不管是人造鑽石還是天然鑽石，在特殊光線照射後所折射出的光都會有所差異，進而形成不同的光譜。由於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後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鑽石和人造鑽石。經過數百次試驗之後，鑒別專家終於確定出人造鑽石與天然鑽石的惟一區別：在紫外燈的短波照射之下，人造鑽石會發光，而天然鑽石几乎無動於衷。而且在關閉紫外燈以後，人工鑽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「鑽石」在閃閃發光。

這種磷光現象其實跟鑽石的形成過程有密切關係。天然鑽石是正八面體結構，人造鑽石由於是在人工條件下生成的，所以部分生成為正六面體結構，屬於正六面體和正八面體混雜結構。由於結構有所區別，所以兩種鑽石對紫外線的吸收差異就自然表現出來了。而且在人工鑽石中氮元素聚合體等雜質(瑕疵)可以將紫外線吸收後再緩慢釋放，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鑽石，然後關閉紫外燈，觀察鑽石是否發出磷光。

隨著科學技術的高速發展，人類社會已進入了原子構築時代，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，科學家能夠製造出與天然鑽石相差無幾的人造鑽石來。

到了那一天，人造鑽石達到與天然鑽石完全相同的品質，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。對於消費者而言，這就跟選擇名畫或複製品差不多，一幅畢加索的名畫價值3000萬美元，相比之下複製品幾乎一文不值。

有人曾對心儀鑽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克拉人工鑽戒和一枚2克拉天然鑽戒，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，也就是那枚人工鑽戒。可見，當人工產品達到與天然鑽石並駕齊驅的程度時，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採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鑽石顆粒。

1987年，美國科學家發現這些隕星內部的鑽石顆粒十分微小，甚至可以將1萬億顆鑽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鑽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，這就說明這些鑽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於數十億年前的某一顆恆星。這應該是一顆即將死亡的恆星(天文學中把這樣的恆星稱為超新星)，恆星因坍塌而引起大爆炸，爆炸中，恆星的組成物質包括鑽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，那麼可以想像當時星際間瀰漫著充滿鑽石微粒的塵埃物質。

當然，有一部分鑽石很可能產生於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鑽石微粒。

從發現黛布羅隕坑鑽石至今已經過去30多年了，科學家仍不能確定這些微型鑽石的成因。一些科學家認為，這些鑽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(這也是目前人造鑽石所遵循的製造原理)。另一些科學家則堅持認為，這些鑽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。

儘管目前還沒有人能說明隕星鑽石究竟是怎麼產生的，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，並在隨後飄散到全世界，這些塵土當中蘊含著大量新生成的鑽石微粒。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鑽石微粒。據考證這一時期恰好是一顆巨型流星撞擊地球並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鑽石，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鑽石。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鑽石帶。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)。在介於高密度的大氣層以下至岩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於鑽石生成的。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鑽石短暫形成。

需要說明的是，無論是太空中廣泛存在的鑽石，還是天體物質撞擊地球所形成的鑽石微粒，它們都跟我們平常所熟悉的鑽石珠寶大相徑庭，這些鑽石微粒幾乎是肉眼無法看見的，而含有豐富鑽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，研究天外鑽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。

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