20億年前已出現天然核反應爐

[摘要]20億年前，在非洲地下已有全世界最早的天然核反應堆。它的成因是當富含鈾礦的沉積物接觸到地下水時，水減緩了鈾礦釋放出的中子的速度，使得這些中子能與其他的原子碰撞並進行分裂反應。

《物理之書》，[美]克利福德•皮科夫 著 嚴誠廷 譯，灕江出版社，2015年7月

大爆炸

1930 年代初期，比利時神父及物理學家勒邁特提出了我們今天所說的大爆炸理論（Big Bang theory）。根據這個理論，我們的宇宙源自一個極為緻密且高熱的狀態，空間從那時以來便不斷地膨脹。

科學家相信大爆炸發生在137 億年前，今天大多數的星系仍然以高速飛離彼此。這些星系與炸彈爆炸後飛射的碎片不同，它們之所以遠離彼此是因為空間本身正在膨脹。星系間距離增加的方式比較像是氣球膨脹時，畫在氣球表面上的黑點彼此會越離越遠的樣子。不管你處在哪個黑點上，都可以觀察到這種膨脹的現象。從任何一個黑點上看出去，其他的黑點都正在遠離。

觀測遙遠星系的天文學家可以直接觀察到這種現象，美國天文學家哈勃在1920 年代首先發現了宇宙正在膨脹。霍伊爾則在1949 年的一次廣播中首次提出「大爆炸」這個詞。大爆炸後過了40 萬年，宇宙才冷卻到足以讓質子和電子結合成中性的氫原子。大爆炸在宇宙誕生的最初幾分鐘就創造出氦原子核和其他的輕元素，提供了形塑第一代恆星所需的原料。

按照喬恩（Marcus Chown）的著作《神奇的大爐子》（The Magic Furnace）的說法，在大爆炸發生後，氣體團很快地開始凝聚，然後宇宙就像棵聖誕樹一樣突然間亮了起來。這些星星早在我們的銀河系出現之前就已經存在，而且已經死亡。天文物理學家史蒂芬·霍金曾經估算過，如果大爆炸之後一秒，宇宙的膨脹速率再小十億億分之一，宇宙就會重新塌縮，而無法進化出智慧生命。

黑鑽石

記者泰森（Peter Tyson）寫道：「除了夜空中那些燦爛的恆星，科學家很早就知道天空裡還有鑽石……外層空間很可能也是一種名為Carbonado 的神秘黑鑽石的誕生地。」科學家對黑鑽石形成的機制有各種理論，莫衷一是。其中一種認為黑鑽石是因為隕石在撞擊時產生的巨大壓力而形成的，這種過程被稱為衝擊變質（shock metamorphism）。2006 年，哈格蒂（Stephen Haggerty）、加雷（Jozsef Garai）和他們的同事在研究黑鑽石的多孔特性時發現，其中所存在的各種礦物質和元素，熔狀的表面色澤以及其他的特性顯示這些鑽石可能在富含碳元素的星球爆炸——超新星（supernova）中形成。超新星可能提供了與實驗室中用化學氣相沉積反應的高溫環境來製造人工鑽石類似的條件。

黑鑽石大約形成於26 到38 億年前，隨小行星墜落到地球上，當時的南美洲和非洲還連在一起。今天的中非共和國和巴西發現了許多黑鑽石。黑鑽石和一般鑽石的硬度相仿，但是它們不透明，具多孔性，而且由多種鑽石結晶形成。黑鑽石有時被用來切割其他的鑽石。巴西人在1840 年最早發現這種稀有的黑鑽石，因為其碳化或燒灼過的痕跡而將它命名為Carbonado。1860 年代，黑鑽石被用在鑽頭上穿透巖石，並得到廣泛的應用。目前已知最大的黑鑽石重約1.5 磅（相當於3167 克拉，比最大的透明鑽石重了約60 克拉）。自然界中還有一些一般鑽石，由於含有鐵的氧化物或硫化物等礦物質而呈現燻黑外觀，因而被稱為「黑鑽石」，但它們不是Carbonado。這種黑鑽石中最著名的就是重達0.137 磅（312.24 克拉）的「德·格裡斯可諾精神」（Spirit of deGrisogono）。

史前的核子反應爐

「產生核反應並不容易，」美國能源部的專家寫道，「電廠裡的核反應牽涉到鈾元素的分裂，分裂的過程中能量以熱的形式釋放，同時產生能使其他原子繼續分裂的中子。這個過程稱為核裂變（nuclear fission）。在核電廠中要讓原子持續裂變需要許許多多的科學家和技術人員。」事實上，一直到1930 年代，物理學家費米（Enrico Fermi）和西拉德（Leó Szilárd）才發現鈾可以持續地進行連鎖反應。西拉德和費米在哥倫比亞大學進行的實驗發現了鈾原子會產生大量的中子（Neutron，一種亞原子粒子），證明連鎖反應是可能的，而且可以用來製造核武器。西拉德在做出這個發現的夜晚寫下：「我幾乎可以確信，這個世界正走上浩劫之路。」

正因為核反應是如此地複雜，所以當1972 年法國物理學家佩林發現，早在人類出現以前20億年，在非洲加彭的奧克洛地底下已有全世界最早的天然核反應堆時，舉世震驚。這座天然反應爐的成因是當富含鈾礦的沉積物接觸到地下水時，水減緩了鈾礦釋放出的中子的速度，使得這些中子能與其他的原子碰撞並進行分裂反應。反應過程中所產生的熱讓水汽化成蒸汽，使連鎖反應的速度暫時變慢。當環境冷卻後，蒸汽變成水，反應再度開始進行。

科學家估計這座史前核反應堆持續運轉了幾十萬年，產生了科學家在奧克洛發現的各種同位素（isotope）。這些在地底空洞的鈾礦中所進行的核反應消耗了大約5 噸的放射性鈾235。奧克洛是目前已知唯一有天然核反應堆的地方。在熱拉茲內（Roger Zelazny）的科幻小說《塵埃之橋》（Bridges of Ashes）中，外星人在加彭建造了這座反應爐以誘發基因突變，最後創造出人類這個物種。

日晷

幾世紀以來，人們一直對時間的本質充滿好奇。古希臘哲學家致力於探討什麼是永恆，時間更是世界所有宗教與文化的主軸。7 世紀的神秘主義詩人西勒修斯（AngelusSilesius）甚至認為意識力可以暫時停止時間的流動：「時間是由你自己掌握的，只在你的腦中滴答作響。當你停止思考，時間也停止流逝。」

日晷是最古老的計時工具之一。遠古的人們發現自己的影子在清晨時最長，隨後慢慢變短，然後越靠近傍晚又變得越長。目前已知最古老的日晷是在愛爾蘭諾斯古墓的石刻上，其時間可以回溯到公元前3300 年。把一根棍子垂直插在地上就是一個簡單的日晷。在北半球，影子會沿順時針方向繞著棍子旋轉，影子的位置可以用來標記時間。如果讓棍子傾斜且指向天體北極或是北極星的方向，就可以提升這種簡易工具的精確度。這種改良日晷的陰影不會隨著季節而變，有時被用作庭園的裝飾品。由於陰影在日晷盤面上的轉動並不是均勻的，因而每小時的刻度不是等距的。日晷產生誤差的原因有很多，例如地球繞太陽運轉的速度不平均、夏令時的實施，以及同一時區內使用統一的鐘表時間等等。在手錶發明以前，人們有時候會在口袋裡放個摺疊式的日晷，並附上一個小羅盤來指示北方。

本文摘自《物理之書》，[美]克利福德•皮科夫 著 嚴誠廷 譯，灕江出版社，2015年7月。

《物理之書》圖書簡介

全能科普鬼才皮科夫在本書中邀請讀者們與他一同進行一趟時空旅行，從數億年前的宇宙大爆炸，到數百萬億年之後宇宙的終結及量子復活。跟著皮科夫的這趟旅程，我們將一同穿梭物理史上250個重大成就！物理是關於萬事萬物基本道理的科學，從這門學問中可以窺見宇宙事物真相的條理。除此之外，他還討論了一些難解的物理發現，比如1965年的超級球，這個題目不只牽涉到工程學和應用物理，還帶動了人類對天體運行的理解。他也討論了許多日常生活中的事物，如沙漏、保溫瓶、風箏、聽診器等，並解釋其中的物理概念，以及它們在人類歷史上受到注意的時間點。

（本文為騰訊文化籤約的合作方內容，未經允許不得轉載）