胡清揚(yáng)，高壓下的魔法師
- 編者按 -
大約20多億年前，地球大氣中的游離氧含量突然增加，這一對(duì)地球生命產(chǎn)生重大影響的改變被稱為大氧化事件（Great Oxygenation Event, GOE）?？茖W(xué)家們對(duì)GOE的成因充滿好奇，但包括光合作用在內(nèi)的假說依然存在缺陷，不是最終的說法。
近年來，中國北京高壓科學(xué)研究中心的科學(xué)家們給出了一種新的假說框架，即在地幔深處的高壓作用下，水將鐵氧化為二氧化鐵并累積漂浮在地核和地幔的交界處，最終在某個(gè)時(shí)刻遭遇偶然因素的刺激，釋放出大量氧氣涌向地球表面。
胡清揚(yáng)和合作者利用高壓實(shí)驗(yàn)發(fā)布了多個(gè)重要結(jié)果，也獲得了越來越多的外界關(guān)注。最近，《知識(shí)分子》和胡清揚(yáng)聊了聊，一探假說背后的發(fā)現(xiàn)歷程。
撰文｜邸利會(huì)
責(zé)編｜劉楚
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在孤獨(dú)地生活了大概20多億年后，地球決定不再過這種無聊日子。它要在海水中、大氣里，增加一種新的成分——氧氣。
看似簡單的一個(gè)動(dòng)作，卻成為決定地球命運(yùn)的時(shí)刻。此后，地球變得大為不同：氧氣在大氣中的比例由之前的千分之一躍升到今天的百分之二十一；有了氧，大部分的生命，包括我們?nèi)?，有了生機(jī)；甚至天文學(xué)家要尋找適宜的系外行星，也要把空氣中是否含氧作為一項(xiàng)重要的指標(biāo)。
氧氣的出現(xiàn)，讓地球的面貌徹底改變，說是一次改頭換面也不為過。
可氧氣究竟從何而來？為什么會(huì)在短期內(nèi)有指數(shù)式暴增？
這一被稱之為 “大氧化事件” 的原因迄今并不很清楚。一種流行的說法是因?yàn)樗{(lán)藻菌的光合作用。據(jù)說這種生物在35億年前就已存在，在它學(xué)會(huì)了利用陽光、二氧化碳和水合成有機(jī)物后，氧氣作為產(chǎn)物就在環(huán)境中逐漸累積。
但這只是一種假說。還有其它更好的解釋么？
近幾年，胡清揚(yáng)所在的北京高壓科學(xué)研究中心（以下簡稱高科中心）的科學(xué)家們提出了一種新的假說。他們認(rèn)為，這些大量的氧氣不是來自藍(lán)藻，或者外太空，而是源自約1800公里以下的地球深部——大概從地球一半厚度開始，直至地幔和地核的交界處，在幾十億帕的壓強(qiáng)下，新的化學(xué)反應(yīng)正在發(fā)生，新的物質(zhì)正在積累，從而為大量氧氣的噴發(fā)創(chuàng)造了條件。
這一想法簡單、優(yōu)雅，聽起來引人入勝。當(dāng)然，在科學(xué)上，再美妙的想法也需要有實(shí)驗(yàn)證據(jù)作為支持。
趁著胡清揚(yáng)在上海出差，我約了他聊聊。胡清揚(yáng)30出頭的年紀(jì)，正處于科研的黃金期，我不想太耽誤他時(shí)間。在其個(gè)人主頁上，可以看到密密麻麻的行蹤記錄，做報(bào)告，交流研究，論文發(fā)表等等，安排的很是緊湊。
四年前從美國斯坦福大學(xué)回國，胡清揚(yáng)加入到了高科中心任研究員。他的實(shí)驗(yàn)室在北京，但上海也常來，一來，高科中心在上海有分部，不少同事在這兒；二來，上海有他做實(shí)驗(yàn)經(jīng)常用到的大型裝置，也就是赫赫有名的上海光源——這座環(huán)形的龐然大物，就矗立在高科中心的馬路對(duì)面。
胡清揚(yáng)的領(lǐng)域——高壓研究，聽起來容易讓人想偏，但和他交談起來，卻絲毫不感到有 “壓力”，相反，他臉上時(shí)常泛起的笑容，不由讓人放松下來。
在向我解釋新假說背后的實(shí)驗(yàn)時(shí)，他從衣兜里掏出來一個(gè)月餅樣的金屬盒。這就是他實(shí)驗(yàn)中用來產(chǎn)生高壓的裝置，除了銀色的金屬光澤，和想象中的高科技裝置簡直是天壤之別。
我瞅著他托在手里的這么一個(gè)小盒子，心想，這玩意能產(chǎn)生幾百萬帕個(gè)大氣壓？
胡清揚(yáng)用來模擬產(chǎn)生地幔深部高壓的機(jī)械裝置 | 邸利會(huì)攝
“反正這個(gè)東西每次坐飛機(jī)過安檢，還都得解釋一下。它其實(shí)是由上下兩個(gè)部分組成的，你可以從側(cè)面這個(gè)孔看一下?！?胡清揚(yáng)邊指著金屬盒的一側(cè)說，“中間其實(shí)是上下兩顆金剛石尖對(duì)尖對(duì)頂?shù)囊粋€(gè)結(jié)構(gòu)，我們就在頂著的尖那放一點(diǎn)樣品，然后合起來，用四個(gè)螺栓上力就可以了，擰個(gè)幾圈，壓力就上去了。”
如此簡單的一個(gè)機(jī)械裝置就能產(chǎn)生這么大的壓力，真是讓人驚奇！原來，兩顆金鋼石對(duì)頂?shù)募庀髂サ姆浅Ｖ?，直徑僅剩了數(shù)百個(gè)微米。初中物理告訴我們，正是由于受力面積如此的小，才能產(chǎn)生巨大的壓強(qiáng)。
可緊接著的問題來了，這么小的尖端上，如何裝樣品？
原來，在光學(xué)顯微鏡下，可以用一根繡花針頭手動(dòng)裝樣。在胡清揚(yáng)示范后，我也嘗試了一把。顯微鏡放大，繡花針的針頭大小已經(jīng)和鐵棒差不多，但我的手不斷顫動(dòng)，傳遞到繡花針那里，就是劇烈的晃動(dòng)，幾乎沒有辦法準(zhǔn)確地把樣品推到金鋼石尖的圓心處。
“你要不一只手扶著點(diǎn)桌子，這樣穩(wěn)當(dāng)些。” 胡清揚(yáng)在一邊打趣道。
雖然了解他的好意，但我心里知道，這種生理性的抖動(dòng)并不是那么容易控制?，F(xiàn)場的工程師告訴我，就這樣看似簡單的裝樣操作，也得耗費(fèi)初學(xué)者幾個(gè)月的時(shí)間才能掌握。
就是靠著如此簡單的裝置，胡清揚(yáng)所在的團(tuán)隊(duì)制造了許多高壓下才存在的奇特物質(zhì)，比如二氧化鐵（FeO2）。具體的做法是，金鋼石對(duì)頂產(chǎn)生76億帕高壓，這差不多相當(dāng)于地表下1700千米的壓力，然后加入赤鐵礦的成分三氧化二鐵，充入氧氣，再用激光加熱樣品到1700K（約1400攝氏度），一種超級(jí)氧化的化合物過氧化鐵（Fe3O4）就誕生了。
“如果在高中化學(xué)里看見這個(gè)東西，肯定會(huì)有疑問的，但是在地球深部的高壓下，就會(huì)有地球表面一個(gè)大氣壓下看不到的化學(xué)反應(yīng)，生成新的物質(zhì)?！?胡清揚(yáng)解釋道。
這種晶體結(jié)構(gòu)類似二硫化亞鐵（FeS2）的物質(zhì)，在高壓下，竟然可以很穩(wěn)定地存在。嗯，看來以后，這個(gè)知識(shí)點(diǎn)要放到高中化學(xué)里了——鐵氧化物的終極形態(tài)不再是三氧化二鐵，畢竟高壓下的三氧化二鐵還可以進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為二氧化鐵（FeO2）。
不過，當(dāng)胡清揚(yáng)他們把發(fā)現(xiàn)二氧化鐵的論文寄給《科學(xué)》雜志時(shí)，卻遭到了拒絕。雜志反饋的一個(gè)理由是，這可能是有趣的化學(xué)，但沒有實(shí)際意義。
那么，人工高壓下制造出的物質(zhì)，是否在地球深處真實(shí)存在呢？總不能打個(gè)2000千米的深井去看看吧，況且人類挖的最深的井也才萬米，差了有兩個(gè)數(shù)量級(jí)。
胡清揚(yáng)等人的進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在幾十億、上百億的高壓下（相當(dāng)于超過1800千米的地幔深處），水已經(jīng)變成了一種非常強(qiáng)的氧化劑，甚至可以將鐵氧化為二氧化鐵。
俯沖板中的含水礦物（藍(lán)色）攜帶水與鐵芯反應(yīng)形成富氧多層塊（深棕色）。反應(yīng)過程中形成多層富氧層，氫從這一系列的化學(xué)反應(yīng)中逸出并上升以維持氫循環(huán)。富氧多層塊橫向移動(dòng)并累積。一些富氧多層塊（小塊）被分散并與地核和地幔交界面的硅酸鹽和氧化物混合。
這就有實(shí)際的意義了。
水、鐵都是地球上再常見不過的物質(zhì)了。我們這個(gè)星球本來就稱為 “藍(lán)色星球”，海洋占到了地球表面超過七成，而鐵則是地球所有元素中按照重量來說排第一的物質(zhì)。
可以說，在這個(gè)星球上，最不缺的就是水和鐵。
那么，當(dāng)大量的水或含水礦物通過板塊運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入地球深部，在高壓之下遇到鐵，可以設(shè)想也將生成二氧化鐵，而且量應(yīng)該不會(huì)少。
二氧化鐵由于其密度高于地幔礦物，但低于地核，因此很可能會(huì)漂浮、富集在地核和地幔的交界處，當(dāng)累積到達(dá)臨界點(diǎn)，而又遇到偶然因素的刺激，如小行星撞擊，地球內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)等的影響下，將突然爆發(fā)，釋放出大量的氧氣到地球表面——這可能就是 “大氧化事件” 的始作俑者。
除了解釋大氧化事件，累積的二氧化鐵層塊也可能是地核地幔交界面上地震波異常的來源——人們很早就知道，在地核和地幔的交界處有一些區(qū)域的地震波速很慢，一直以來沒有太滿意的解釋。
“我們既然合成了二氧化鐵，也想測量下它的波速，我們發(fā)現(xiàn)在一定的混合比例下，基本上和觀測到的慢速地震波數(shù)據(jù)是完全吻合的?！?胡清揚(yáng)說。
不僅如此，如此單一的高壓機(jī)理，能用來解釋的現(xiàn)象還有不少，比如超大陸的分和合，大火山省，生物五次大滅絕，四大冰期，大氣中的氧氣，甚至有氧生物的出現(xiàn)等等，大有一舉定乾坤的氣勢。
盡管發(fā)現(xiàn)二氧化鐵這項(xiàng)工作本身沒有耗費(fèi)太長時(shí)間，但就整個(gè)高壓研究而言，胡清揚(yáng)也算是個(gè)老手了，今年是第十二個(gè)年頭。
“我一直是那種被時(shí)代推著走的人?！?胡清揚(yáng)半打趣地說。
2009年8月，胡清揚(yáng)剛?cè)ッ绹鴨讨蚊飞髮W(xué)讀博時(shí)，本來做的是遙感大氣，但因?yàn)閷?dǎo)師的項(xiàng)目源自美國氣象局，相關(guān)數(shù)據(jù)涉密，他因?yàn)橹袊裆矸轃o法參與。緊急之下，他臨時(shí)更換了導(dǎo)師，才走上了高壓研究的路。
“還好發(fā)現(xiàn)的早，我要是已經(jīng)參與了一年半載才被迫中斷，那問題就大了。我是剛?cè)ヒ粌蓚€(gè)星期就發(fā)現(xiàn)這個(gè)問題，幸虧我當(dāng)時(shí)的導(dǎo)師及時(shí)幫我聯(lián)系別的教授，最后做計(jì)算材料的生老師收留了我。挺不容易的?！?胡清揚(yáng)回憶說。
從那個(gè)時(shí)候開始，胡清揚(yáng)就研究高壓下的鐵氧化學(xué)的各種性質(zhì)，只不過集中在傳統(tǒng)的氧化亞鐵。而材料學(xué)方面的研究也讓他在傳統(tǒng)化學(xué)方面有了很好的積累，為他今后從事地球化學(xué)幫助不小。
可到了博士畢業(yè)，胡清揚(yáng)的研究之路依然存有變數(shù)。那時(shí)，他曾猶豫過是否進(jìn)入工業(yè)界。
“我們做高壓用到金剛石，我當(dāng)時(shí)想可不可以賣它，當(dāng)時(shí)確實(shí)有一家公司問我，有沒有興趣負(fù)責(zé)中國的業(yè)務(wù)。我記得那時(shí)第一次參加國內(nèi)的高壓學(xué)術(shù)大會(huì)，不是以科研人員的身份，而是以賣金剛石的銷售的身份去的。當(dāng)時(shí)，毛先生也來參會(huì)了，對(duì)，當(dāng)時(shí)的情況就很尷尬。” 回憶起這一段，胡清揚(yáng)禁不住大笑了起來。
他所說的毛先生，便是高科中心的創(chuàng)立者，美國科學(xué)院院士，著名地球物理學(xué)家毛河光。胡清揚(yáng)便是追隨著毛先生回了國。
人生就是這樣，充滿了種種偶然和際遇。經(jīng)過幾次波折，胡清揚(yáng)最終還是決定繼續(xù)做科研。
“我不是說科研一定有多好，可能是適合我這樣的。我覺得科研比較單純，比科研復(fù)雜的事情實(shí)在太多了?！?胡清揚(yáng)笑著說。
盡管此刻跟我聊天的他看起來神情輕松，但平日里做科研的壓力也是存在的，比如在用同步輻射光源做實(shí)驗(yàn)的日子里，他跟同事通常都要連軸轉(zhuǎn)，充分利用好申請(qǐng)好的有限的機(jī)時(shí)，同時(shí)希望把樣品準(zhǔn)備的好一些，盡量避免返工。當(dāng)然，當(dāng)發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果和預(yù)想的一致時(shí)，內(nèi)心里也會(huì)浮現(xiàn)出幾分的喜悅和得意。
不過，話說回來，胡清揚(yáng)他們所提出的理論，雖然現(xiàn)在已經(jīng)有很好的證據(jù)支持，但離完善、成熟還有不少的距離。
這多少讓人想起魏格納提出的 “大陸漂移說”，在經(jīng)過幾十年的完善和發(fā)展后，升級(jí)后的 “板塊構(gòu)造理論” 已經(jīng)成為了20世紀(jì)地球科學(xué)最為重要的學(xué)說。也許，隨著研究的繼續(xù)深入，證據(jù)的不斷累積，他們最初的這一假說框架也會(huì)不斷進(jìn)化，若能經(jīng)受住學(xué)術(shù)界的考驗(yàn)，或許能成為國人提出的板塊理論的2.0版。
誰知道呢？科學(xué)就是這樣，結(jié)局難以預(yù)料，但不妨礙大膽去試。
制版編輯 | 盧卡斯
