1945年7月16日凌晨5點29分，一道強光穿透了美國新墨西哥州沙漠的黎明——這是人類歷史上的第一次原子彈爆炸實驗，代號「三位一體」（Trinity）。
倒數計時歸零，火球升起，熱浪和衝擊波向外推開。幾十秒後，氣浪抵達觀測點，物理學家恩里科·費米（Enrico Fermi）鬆開手中的幾片小紙片，看它們在空中被吹偏了多遠。他想用這種方法，估算人類的第一次核爆釋放了多少能量。
費米很快得出了自己的答案：這場爆炸釋放了大約相當於1萬噸TNT爆炸的能量。後來，更精確的估算顯示，三位一體實驗的能量釋放約為2.1萬噸TNT當量。無論是哪個數字，都已經足夠徹底扭曲現場的任何物質結構。爆炸現場的金屬塔架、周圍的電纜、儀器、甚至砂礫都在極端高溫和衝擊下熔化，最終混合在一起，形成了一片玻璃態物質。
1945年9月，《時代》（Time）雜誌在報導中寫道，現場像是「一片碧玉湖泊」，全是綠色、灰色、黑色，甚至紅色的玻璃。今天，這些玻璃被稱為阿拉莫戈多玻璃，或是三位一體石（trinitite）。
這些玻璃的主要成分來自被熔化的砂岩，尤其是其中的長石和石英——它們的主要成分就是矽酸鹽和二氧化矽。但其中還包含了第一顆原子彈的熔融碎片、支撐原子彈的高塔，以及諸多傳感器和線纜的成分。研究人員推測，深綠色、灰色和黑色的玻璃，可能含有不同濃度的鋼架材料，而紅色的玻璃則融合了銅製電線。
直到今天，這場爆炸依然能給我們帶來新的發現。最近，一項發表於《美國科學院院刊》（PNAS）的研究指出，科學家在紅色的三位一體石中發現了一種全新的晶體。如果沒有這次核爆，它可能不會存在於地球上。
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「不存在」的結構
這並不是科學家第一次在三位一體石中發現全新結構。早在2021年，同一個研究團隊就曾在這些紅色玻璃中發現了一度被認為「不可能存在」的材料——准晶。
紅色三位一體石（圖片來源：原論文）
在18世紀的一天，法國的牧師和礦物學家勒內-朱斯特·阿維（René Just Haüy）失手打碎了一位富商的方解石礦物標本。當他彎腰撿起破碎的礦物碎片時，卻意外地注意到，這塊標本破碎的表面全都光滑整齊，而且每一塊碎片的切面全都呈現出同樣的角度，構成了一個個小小的菱面體。
阿維能想到最簡單的解釋，就是方解石是由一些基本的模塊組成的，每一個小模塊都是菱面體的形狀。而這一發現，最終促成了晶體學的誕生。今天，我們將阿維猜測的這些「基本模塊」稱為「晶格」。如果你在腦海中，將這些晶格像堆積木一樣，一個挨一個地整齊排列在一起，就形成了晶體。正是這套微觀框架，決定了礦物在宏觀世界中的許多性質，比如硬度、彈性、導電性等等。
在本科階段學習礦物學與晶體學這門課的時候，我們必做的功課之一就是記住十幾種常見的晶格結構。這並不需要死記硬背，因為晶體學已經將晶格的對稱性總結為一重、二重、三重、四重和六重。然而，還有一些對稱性，比如五重對稱性一度被認為不可能存在，對應的物質也被稱為「准晶」。
二維准晶結構，具有與晶體相似的有序排列，但不具有平移對稱性（圖片來源：wikipedia）
這裡藏著巨大的差別。因為晶體中的原子團會以規律的間隔重複出現，然而在准晶中，不同原子團會以不同的間隔重複出現。換句話說，如果你切下來一塊晶體，它總能平移到其他地方。然而在准晶中，雖然原子排列依然有序，但它們不會像晶體那樣，能夠通過簡單的平移相互拼接。
1982年，以色列海法理工學院的材料學家丹尼爾·謝希特曼（Daniel Shechtman）首次在一種合金中發現了這種「不可能」的對稱性，它是一組二十面體，具有五重對稱性。多年後，普林斯頓大學的理論物理學家保羅·斯坦哈特（Paul Steinhardt）和同事在東西伯利亞堪察加半島的一塊隕石碎片中，首次發現了自然產生的正二十面體，可能是在太陽系形成早期，由兩顆小行星相撞形成的。因此，斯坦哈特和同事開始好奇，核爆產生的瞬間高溫和高壓，是否也可能產生准晶。
2021年，他們的研究順利發表於《美國科學院院刊》（PNAS），在三位一體石中發現了准晶。這種准晶的對稱方式與正二十面體相同，化學式為Si₆₁Cu₃₀Ca₇Fe₂，也是已知最古老的人造准晶。
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我們並不能準確知道，這種准晶為何會出現在三位一體石中，但我們知道的是，准晶的形成需要伴隨極端高溫和高壓，而這場核爆實驗提供了絕佳的機會。
新晶體
現在，這些鮮紅的玻璃又帶來了另一重驚喜。除了准晶之外，斯坦哈特和同事又在其中發現了一種籠形包合物（Clathrate）。這是一些由矽原子構成的「籠子」，籠子裡還包裹著單個鈣原子，晶體中還含有微量的銅和鐵元素。
圖片來源：原論文
在自然條件下，籠形包合物極為罕見。研究者提出，在三位一體實驗期間，曾經達成過一些條件：極端的衝擊、超過1500攝氏度的溫度，以及5~8吉帕斯卡的壓強。更重要的是，這個條件只存在了短短一瞬，隨後無論是溫度還是壓強，都開始迅速衰減。
整個過程類似手工燒制玻璃，急劇的變化伴隨著快速冷卻，使得原子可以排列成異常的結構，並且立刻被固定在對應的位置。正如研究團隊在論文中所寫的，最終形成了「常規合成方法無法獲得的固態相」。
更有趣的是，這種籠形晶體與2021年發現的准晶來自同一塊樣本，成分也有相似之處。研究者起初懷疑，准晶或許就是從這種籠形結構轉變而來。然而進一步建模研究顯示，這塊樣品中的銅含量過高，很難實現這樣的轉變。
換句話說，在同樣的極端條件下，由相同的材料出發，在同一份樣本中，獨立生成了兩種截然不同的結構。
對研究者來說，這些事件就像是一場巨大的實驗，「這項工作凸顯了罕見的高能時間，例如核爆、雷擊和超高速撞擊如何成為天然的實驗室，」論文中寫道，「這會產生意想不到的晶體，」並將那一瞬間的衝擊封存在小小的晶格中。
