钻石传奇

李念华

眩目光芒的背后

无论你是否拥有过钻石，你对它都不会陌生。你可以轻易地在众多珠宝玉石中找出璀璨的天然钻石，它们的确是遗物主的恩宠和奇迹。

钻石之所以备受人们的推崇，也许跟钻石自身的经历有关。钻石的生成经历了漫长的时间(大概30亿年)，而要把这些分布在地表深处的宝贝找到并最终挖掘出来又是相当费神的事情：每天在散布于全球的大大小小的矿石采集地上，有数以万吨计的矿石块被翻动，目的就是为了从这些矿石中找到为数不多但能够加工成珠宝的天然钻石。这让我们不难理解钻石昂贵身价的来历。

但是，钻石在人们心中作为顶级宝石的地位并不是自古有之。在古代，王公贵戚们收藏天然钻石的目的与现代大相径庭。对于古代的权贵者而言，具有浓郁色泽的红宝石、祖母绿、蓝宝石等才是真正的华丽饰品，而那些未经打磨的天然钻石仅仅是因为具有不可毁灭的特性而通常被用作护身符或表现男子汉气慨的挂件，几乎没有人把它们看成象征美丽的珠宝饰物。

由此可见，钻石无可匹敌的坚硬特质确实早在古代就已被人们所认识。不过，钻石所具有眩目光芒这一特性却是到了现代社会才为人们所认识，并且成为现代人看重并钟情于它的主要原因。而真正了解钻石独特的光学特性，则是近几十年的新发现。

钻石的光芒来自精心的打磨。未经切割的钻石原胚看上去跟普通石头没什么两样，根本没有钻石珠宝所具有的那种光鲜炫目的色泽。18世纪巴西淘金者就曾因为钻石原胚的“普通”而把它抛置一旁。绝大多数天然钻石在刚出土时并不起眼，形状大致呈圆形，其规则的结晶体形状也只是隐约可见。钻石本身没有颜色，只是由于或多或少带有浅浅的黄、红、橙、绿、蓝或棕色暗影而呈现出相应颜色，有的钻石甚至呈黑色。

的确，现代人把钻石用作华贵饰品在一定程度上得归功于科学家对光的本质的研究。爱因斯坦的著名公式E=mc是众所周知的。这个公式所反映的是能量与质量之间的关系。式中符号c代表光速，是个不变的常量。然而相对于严谨的科学研究者而言，人们忽略了这个公式的一些细节，光速只有在真空中才是恒久不变的常量。当光在空气、水、玻璃或钻石等不同物质中运动时，其速度一般低于299330千米／秒，这是因为光在运动过程中受到原子外围电子的阻挡。通俗地讲，就是光沿直线传播时一旦遇到电子挡道就不得不绕行，因此速度相应有所减缓。

通常情况下，大多数清亮无色的物体只在一定程度上对光速构成阻碍。以我们呼吸的空气为例，平均每立方英寸(16.4立方厘米)空气中含有的原子数量有限，两个原子之间的间距远远大于原子自身尺寸，因而对光速的阻碍大约仅为每秒钟几百千米，这样的减速在多数情况下根本微不足道，完全可以忽略不计。而在水或冰当中，由于每立方英寸的原子数量大约是空气中的数千倍，因此光线在这些物质中的行进速度大约为225260千米／秒，仅为真空中的75％。玻璃窗户能将光速减缓到193080千米／秒，这样的速度也是光线在大多数矿物质当中的速度。在含铅装饰玻璃当中(通常用来制作树枝形装饰灯具和刻花玻璃)，光速更是减慢到160900千米／秒，因为铅含有的大量电子对光线构成了阻碍。在所有透明物质当中，对光线行进速度阻碍最大的恐怕还得属钻石，这主要跟钻石的分子结构有密切关系——钻石内部几乎完全被电子填满了，以至于光线在这种物质当中的速度甚至达不到128720千米／秒，每1秒中行进的距离比光线在空气中至少短170610千米。

对于我们绝大多数人来说，在日常生活中我们可能很少注意到光速的变化，但实际上我们每天都在经历这些变化。每当光线从一种单纯媒介进入到另一种媒介当中时，它的行进速度就会发生改变，原本直线运动的光线随之出现一定角度的偏折。这就是为什么在游泳池中的人和其他物体看上去扭曲变形的原因：光在从水里进入空气中时速度增加，光波行进方向有所调整，水面的波纹进一步加剧了角度的变化。近视眼之所以佩戴眼镜或隐形眼镜，其目的就是矫正进入眼内光线的角度，这也是人类对光学现象的有益开发利用。

光穿越不同介质时也并不总是会发生角度偏移。当光线以垂直角度或特定角度照在某一透明物质时(例如阳光照在家里的玻璃窗上)，大多数射线是不会发生偏折的，它们往往会直接穿透该介质。回想一下，你是否可以在乘船时透过平静而清澈的湖水一直看到湖底?此时阳光从头顶射入水里，由于水质清澈透明光线几乎垂直发射进入人眼，因此你的确可以对湖底景观一览无遗。但是，如果当你站在岸边，那么无论你如何努力尝试，都无法看到湖底的情况，因为你所在的位置与水面所构成的角度太低了，此时进入你眼中的光线绝大多数来自湖面的发射。因此清晨时分，当你站在岸边时，看到的景色是如镜的湖面所映衬出的对面成排树木的倒影。

而在所有无色介质当中，只有钻石把光的发射作用发挥到了极致。当光线从各个方向射入一枚精心雕琢的钻石以后，要么立即被发射出来，要么经过钻石内部数次发射最终以一整束光线不偏不倚地突围而出，而后面这一个过程是最具戏剧性的。众所周知，所谓的白色光束其实是由赤、橙、黄、绿、青、蓝、紫七彩光线构成的，这些光线在钻石内部的折射和反射角度都略微有所不同，而光线行进路线越远，它所发散出的颜色越多。一般经过两到三次折腾之后，所有的七种颜色就分别被区分开来。

当前科学家正在努力赋予锆石(利用锆元素与氧元素人工合成的结晶物质，一种广泛使用的钻石替代品)所具有的类似的光学特质，但锆石无论是光泽还是坚硬程度都还无法与天然钻石相提并论。

真假钻石

只有由碳元素构成且具有独特的结构，那么钻石才算得上是真正的钻石。在实验室里使用精密工艺只需数小时就能制造出钻石，无论它多么逼真，你会拿它跟天然美钻相提并论吗?

18世纪后期，在一位化学家设法使钻石完全燃烧之后，人们才最终了解了钻石的化学构成。当时这位名叫安东尼·劳沃斯尔的专家在实验室里将一颗钻石加热至大约1500摄氏度，而后把它投进液态氧当中，结果钻石燃烧殆尽。经检测发现，最后收集到的物质完全是二氧化碳气体，这说明钻石的化学构成就是单一的碳元素。这个发现令人们感到吃惊，因为在劳沃斯尔所生活的年代，人们所确定的由单一碳元素构成的物质只有一种一一石墨，而这种又黑又软的东西只是被用来充当制作铅笔芯的主要原料罢了。

石墨的分子结构相当精致，呈层状分布。每个碳原子分别与位于同一平面的三个相邻的碳原子紧密相连，若干碳元素共同构成结构紧凑的层；相对而言，层与层之间的连接比较薄弱，因此表现在外观上，石墨的质地比较软。但是，钻石却是世界上最坚硬的物质。钻石与石墨同为碳原子所组成，为什么它们有天壤之别?这当然与其自身的分子结构有必然联系。构成钻石的碳原子同时与周边四个碳原子构成三棱锥结构，而这种对称结

构无论从哪个方面看都是十分稳固的，它的分子结构中根本不存在任何薄弱环节，每一处都连接得非常牢固。来自任何方向的外力都不可能破坏这种稳定性，因此钻石的坚硬程度举世无双。

钻石和石墨两者的分子结构虽然不同，但凭着具有相同的化学成分，能否将质地柔软且具有滑动特性的石墨转化为世间最坚硬且最炫目的钻石呢?这可是一个近乎天方夜谭的大胆的设想。

1951年，一项代号为“超级重压”的科研工程在美-_国秘密启动。该工程的目的就是利用人工合成手段制造出工业用钻石。当时美国所有军工企业使用的金刚钻都完全依赖从南非进口天然钻石，由于担心这种特殊紧俏商品的货源被切断，美国政府决定开发钻石供给的新货源。参与这项秘密工程的科研人员既有化学家，也有物理学家。

这个科研小组遭遇的第一项挑战就是必须找出能够将石墨分子结构转化为钻石分子结构的方法。科学家发现：石墨的质地尽管偏软，但其分子结构却极不容易发生改变。这是因为，石墨层与层之间的连接相对薄弱，很容易在外力作用下成片剥落，但是在同一层中，石墨的分子结构异常紧密，这是因为每个碳原子外围都有四个电子，它们分别与邻近的碳原子的电子形成共价键，也就是说，每一个碳原子在同一平面上分别与周边三个碳原子形成共价连接，共同分享三个电子，而剩余的一个电子则在已经形成的环状结构之内运动，增加了新构建石墨层的牢固程度。

为了找到改变石墨分子结构的办法，科研小组把关注焦点放在自然界，他们希望了解石墨在自然界中是如何转变为天然钻石的。

通过时间测定，人们更加惊叹于钻石一一这种来自深层地下的珍稀矿产。天然钻石通常蕴藏在死火山内部的角砾云母橄岩矿层当中，在距离地表至少140千米以下的地幔层中逐渐形成。地幔是具有缓慢流动性质的地层，这里的温度高达2000—3000华氏度，压强更是高达每平方厘米488，27千克。科学家认为，正是在如此高温高压的环境当中，碳原子才得以结合成为高度坚实的结晶体一钻石。

要想制造出钻石，科学家必须在实验室中模拟出与地幔层温度压力完全相同的环境。制造钻石的必要条件之一是高温，至少应该在1000摄氏度以上，而且压力也必须很高，这样才能确保在高温下碳元素不再回复到石墨的分子结构。为了研制出人工合成钻石所必需的高温高压发生设备，科研小组耗费了数百万美元，经过4年的研究，然而始终没办法将石墨转化为钻石。“超级重压”工程陷入了困境，研究小组不得不尝试在相对较低的温度和压力条件下合成钻石的方法。

这一次他们把重点放在破解石墨的原子结构上。钻石是结晶物质，它可能是在某种液态环境中逐渐形成的。如果能找出某种溶剂将石墨物质彻底溶解，进而再把松散的碳原子进行结构重组，就可能最终生成钻石。关键是找出能够溶解碳元素的溶剂。

一颗坠落在美国亚利桑那州的陨石为科学家提供了钻石生成的线索。人们在陨石表层发现了钻石微粒。经过推测得出，这是由于当小行星撞击地球时，在极短时间内释放出大量能量，而能量的瞬间释放恰好为钻石的生成提供了适宜的高温高压条件。此外，科学家还在这些钻石微粒的周围发现了金属物质。

对专家而言，这条线索太有用了。他们找出一种叫作陨硫铁(一种硫化铁矿物，天然的硫化二价铁，产生于陨石中)的金属，希望液态陨硫铁能够充当溶解石墨分子结构的有效溶剂。科学家之所以选择这种金属，还因为它在从固体到液体的转变过程中所需的高温高压条件比之前模拟地幔环境的条件要低一些。

一切准备就绪之后，人们向石墨管中注入金属液体，随后进行加温加压操作。由于实验设备在满负荷下只能运转几分钟时间，否则可能发生爆炸，因此前后经历了长达5年的反复试验，实验终于取得进展。在零散的碳元素中，科研小组的成员看到了星星点点耀眼的物质一钻石!

这条消息成为当时世界各大媒体的头版头条。如今，人们纷纷投身到制造完美钻石的队伍当中，希望能够制造出珠宝级别的人工钻石。

在经过艰辛的努力之后，人们终于在实验室里研制出了具有与天然钻石完全相同特性的人造钻石：一样的硬度，一样的传导性，甚至一样的光泽。如此看来，人造钻石足以以假乱真。那么，人们又怎么鉴别真假钻石呢?

珠宝鉴定专家发现，不管是人造钻石还是天然钻石，在特殊光线照射后所折射出的光都会有所差异，进而形成不同的光谱。由于各自所具有的瑕疵性质不同，在激光或特殊波长的光线照射后所折射出的光有所差异，因此利用专业光谱仪就可以区别天然钻石和人造钻石。经过数百次试验之后，鉴别专家终于确定出人造钻石与天然钻石的惟一区别：在紫外灯的短波照射之下，人造钻石会发光，而天然钻石几乎无动于衷。而且在关闭紫外灯以后，人工钻石还会持续发出磷光，也就是说，在一片漆黑之中，人们依然能够看到“钻石”在闪闪发光。

这种磷光现象其实跟钻石的形成过程有密切关系。天然钻石是正八面体结构，人造钻石由于是在人工条件下生成的，所以部分生成为正六面体结构，属于正六面体和正八面体混杂结构。由于结构有所区别，所以两种钻石对紫外线的吸收差异就自然表现出来了。而且在人工钻石中氮元素聚合体等杂质(瑕疵)可以将紫外线吸收后再缓慢释放，这就形成了所谓的磷光现象。

现在，人们利用磷光现象对珠宝进行鉴定，方法是先用紫外灯照射钻石，然后关闭紫外灯，观察钻石是否发出磷光。

随着科学技术的高速发展，人类社会已进入了原子构筑时代，科学家已经能够在微观(纳米)层面上对原子构造进行自如操控，也许终有一天，科学家能够制造出与天然钻石相差无几的人造钻石来。

到了那一天，人造钻石达到与天然钻石完全相同的品质，对人们来说，真假之辨很可能就只能是一种心理层面上的较量。对于消费者而言，这就跟选择名画或复制品差不多，一幅毕加索的名画价值3000万美元，相比之下复制品几乎一文不值。

有人曾对心仪钻石的女性进行过一次广泛调查。当被问及“面对品质完全相同的一枚4克拉人工钻戒和一枚2克拉天然钻戒，你会如何选择?”这个问题时，几乎所有的人都选择了大的那枚，也就是那枚人工钻戒。可见，当人工产品达到与天然钻石并驾齐驱的程度时，或许真与假的较量也就没有任何意义了。

1981年，一支南极科考队的专家在对一大块含铁陨星进行取样时，吃惊地发现他们使用的采样工具锯齿全部折断了，经过×射线检测他们发现陨星内密布着大量钻石颗粒。

1987年，美国科学家发现这些陨星内部的钻石颗粒十分微小，甚至可以将1万亿颗钻石微粒同时装在一枚大头针的针头上。科学家们还发现这些钻石微粒的结晶体当中含有同位素氙气(化学符号xe)，而这种物质在地球上尚未找到，这就说明这些钻石的确来自太阳系之外的遥远太空。

科学家进而推测，这种透亮的结晶体很可能形成于

数十亿年前的某一颗恒星。这应该是一颗即将死亡的恒星(天文学中把这样的恒星称为超新星)，恒星因坍塌而引起大爆炸，爆炸中，恒星的组成物质包括钻石被送到广阔无垠的太空当中，而其中一部分恰好落到了地球上。如果上述猜想是正确的，那么可以想像当时星际间弥漫着充满钻石微粒的尘埃物质。

当然，有一部分钻石很可能产生于流星或陨星撞击地球瞬间进发的火花当中。20世纪60年代，科学家在美国亚利桑那州考察流星撞击形成的黛布罗陨坑时发现了大量钻石微粒。

从发现黛布罗陨坑钻石至今已经过去30多年了，科学家仍不能确定这些微型钻石的成因。一些科学家认为，这些钻石是在外太空的真空环境当中通过蒸发沉积的方式形成的(这也是目前人造钻石所遵循的制造原理)。另一些科学家则坚持认为，这些钻石是蕴含在陨星当中的碳原子在超级高温和猛烈撞击条件下重新排列组合而形成的。

尽管目前还没有人能说明陨星钻石究竟是怎么产生的，但他们已经找到证据，可以证明当天体物质与地球发生猛烈碰撞时的确升腾起厚厚的尘土，并在随后飘散到全世界，这些尘土当中蕴含着大量新生成的钻石微粒。1991年，加拿大地质学家就在距今约6500万年前的地质层当中发现大量钻石微粒。据考证这一时期恰好是一颗巨型流星撞击地球并最终导致恐龙灭绝的时期。这些被看成是大爆炸产物的呈颗粒状分布的钻石，会不会也像铱金属层的存在一样，成为远古时代那场超级大灾难的证据之一呢?这个问题还有待进一步考证。

除了那些落入“尘世”的“天外来客”，在地球周边的行星上也可能存在大量钻石。据研究行星的专家介绍，在太阳系第七和第八个行星(即天王星和海王星)的核心地带可能存在数千米厚的钻石带。天王星和海王星的个头差不多是地球大小的4倍，它们的外层主要是氢和氦，外层物质之下是所谓的大气层，大概含有10％—15％的甲烷(一种碳氢化合物)。在介于高密度的大气层以下至岩石核心以上的区域温度大约为300012000华氏度，气压则是标准大气压的20万—600万倍。显然，这样的环境是十分有利于钻石生成的。实验也发现，当甲烷在极度高压和振荡环境下在蒸发的瞬间确实有钻石短暂形成。

需要说明的是，无论是太空中广泛存在的钻石，还是天体物质撞击地球所形成的钻石微粒，它们都跟我们平常所熟悉的钻石珠宝大相径庭，这些钻石微粒几乎是肉眼无法看见的，而含有丰富钻石的天王星和海王星与地球分别相距23.8亿千米和38.08亿千米之遥。因此，研究天外钻石最大的益处是推断科学的发展，而无法造就一夜暴富的人。