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胡清扬,高压下的魔法师

 
- 编者按 -
 
大约20亿年前,地球大气中的氧气含量突然增加,这一对地球生命等产生重大影响的改变被称为大氧化事件(Great Oxygenation Event, GOE)。对GOE的成因,科学家们提出了,包括蓝藻菌的光合作用在内的若干种假说,但依然不能称得上满意。
 
近年来,北京高压科学研究中心的科学家们给出了一种新的假说框架,即在地幔深处的高压作用下,水将铁氧化为二氧化铁并累积漂浮在地核和地幔的交界处,在某个时刻遭遇偶然因素的刺激,最终释放出大量氧气涌向地球表面。胡清扬和合作者们利用高压实验发表了多个重要结果,支持了这一假说,也获得了越来越多的外界关注。最近,《知识分子》走进高科中心,和胡清扬聊了聊,一探背后的发现历程以及他的 “高压” 人生。
 
撰文|邸利会
 
责编|刘楚
 
在孤独地生活了大概25亿年后,地球决定不再过这种无聊日子。它要在海水中、大气里,大幅增加一种成分——氧气。
 
就像绝顶的高人,看似一个简单动作,却有四两拨万斤的效果——氧气在大气中的比例由之前的千分之一跃升到今天的21%;有了氧,大部分的生命,包括我们人,有了生机;甚至天文学家要寻找适宜的系外行星,也要把空气中是否含氧作为一项重要的指标。
 
氧气的出现,让地球的面貌彻底改变,说是一次改头换面也不为过。
 
可氧气究竟从何而来?为什么会在短期内有指数式暴增?
 
这种称为 “大氧化事件” 的原因迄今并不很清楚。一种流行的说法是因为蓝藻菌的光合作用。据说这种生物在35亿年前就已存在,在它学会了利用阳光、二氧化碳和水合成有机物后,氧气作为产物就在环境中逐渐累积。
 
但这只是一种假说。还有其它更好的解释么?
 
近几年,胡清扬所在的北京高压科学研究中心(以下简称高科中心)的科学家们提出了一种新的假说。他们认为,这些大量的氧气不是来自蓝藻,或者外太空,而是源自约1800公里以下的地球深部——大概从地球一半厚度开始,直至地幔和地核的交界处,在几十亿帕的压强下,新的化学反应正在发生,新的物质正在积累,从而为大量氧气的喷发创造了条件。
 
这一想法简单、优雅,听起来引人入胜。当然,在科学上,再美妙的想法也需要有实验证据作为支持。
 
揭秘时刻
 
趁着胡清扬在上海出差的间隙,我赶紧约了他聊聊。30出头这个年纪,正处于科研的黄金期,我不想太耽误他时间。在他个人主页上,可以看到密密麻麻的行踪记录,做报告,交流研究,论文发表等等,安排的很是紧凑。
 
四年前从美国斯坦福大学回国后,胡清扬加入到了高科中心任研究员。他的实验室在北京,但上海也常来,一来,高科中心在上海有分部,不少同事在这儿;二来,上海有他做实验经常用到的大型装置,也就是赫赫有名的上海光源——这座环形的庞然大物,就矗立在高科中心的马路对面。
 
胡清扬的领域——高压研究,听起来容易让人想偏,但实际和他交谈的时候,也许是因为他脸上时常泛起的、孩童般的笑容,你丝毫不会感觉到有“压力”。
 
在向我解释大氧化事件新假说背后的实验时,他从衣兜里掏出来一个月饼样的金属盒。这就是他实验中用来产生高压的装置,和想象中的高科技装置简直是天壤之别。
 
我瞅着他托在手里的这么一个小盒子,心想,这玩意能产生几百万个大气压?
胡清扬用来模拟产生地幔深部高压的机械装置 | 拍摄/邸利会
 
“反正这个东西每次坐飞机过安检,还都得解释一下。它其实是由上下两个部分组成的,你可以从侧面这个孔看一下。” 胡清扬指着金属盒的一侧说,“中间其实是上下两颗金刚石尖对尖对顶的一个结构,我们就在顶着的尖那放一点样品,然后合起来,用四个螺栓上力就可以了,拧个几圈,压力就上去了。”
 
如此简单的一个机械装置就能产生这么大的压力,真是让人惊奇!原来,两颗金钢石对顶的尖削磨的非常之尖,直径仅剩了数百个微米。初中物理告诉我们,正是由于受力面积如此的小,才能产生巨大的压强。
 
可紧接着的问题来了,这么小的尖端上,如何装样品?
 
原来,是在光学显微镜的辅助下,用一根绣花针头手动装样。
 
在胡清扬示范后,我也尝试了一把。但在显微镜的放大下,绣花针的针头已经和铁棒差不多大小,平常大看不出来的手的微小颤动,传递到绣花针那里,其实已经是剧烈的晃动,几乎没有办法准确地把样品推到金钢石尖的圆心处。
 
“你要不一只手扶着点桌子,这样稳当些。” 胡清扬在一边打趣道。
 
虽然了解他的好意,但我心里知道,这种生理性的抖动并不是那么容易控制。现场的工程师告诉我,就这样看似简单的装样操作,也得耗费初学者几个月的时间才能掌握。
 
就是靠着如此简单的装置,胡清扬所在的团队制造了许多高压下才存在的奇特物质,比如二氧化铁(FeO2)。具体的做法是,金钢石对顶产生76亿帕高压,这差不多相当于地表下1700千米的压力,然后加入赤铁矿的成分三氧化二铁,充入氧气,再用激光加热样品到1700K(约1400摄氏度),一种超级氧化的化合物过氧化铁(FeO2)就诞生了。
 
“如果在高中化学里看见这个东西,肯定会有疑问的,但是在地球深部的高压下,就会有地球表面一个大气压下看不到的化学反应,生成新的物质。” 胡清扬解释道。
 
这种晶体结构类似二硫化亚铁(FeS2)的物质,在高压下,竟然可以很稳定地存在。嗯,看来以后,这个知识点要放到高中化学里了——铁氧化物的终极形态不再是三氧化二铁(毕竟高压下的三氧化二铁还可以进一步转化为二氧化铁(FeO2))。
 
水与铁之歌
 
不过,当胡清扬他们把发现二氧化铁的论文寄给《科学》杂志时,却遭到了拒绝。杂志反馈的意见是,这可能是有趣的化学,但没有实际意义。
 
那么,人工高压下制造出的物质,是否在地球深处真实存在呢?总不能打个2000千米的深井去看看吧,况且人类挖的最深的井也才万米,差了有两个数量级。
 
事实上,胡清扬等人进一步做实验发现,在几十亿、上百亿的高压下(相当于超过1800千米的地幔深处),水已经变成了一种非常强的氧化剂,甚至可以将铁氧化为二氧化铁。
俯冲板中的含水矿物(蓝色)携带水与铁芯反应形成富氧多层块(深棕色)。反应过程中形成多层富氧层,氢从这一系列的化学反应中逸出并上升以维持氢循环。富氧多层块横向移动并累积。一些富氧多层块(小块)被分散并与地核和地幔交界面的硅酸盐和氧化物混合。
 
这就有实际的意义了。
 
水、铁都是地球上再常见不过的物质了。我们这个星球本来就称为 “蓝色星球”,海洋占到了地球表面超过七成,而铁则是地球所有元素中按照重量来说排第一的物质。
 
可以说,在这个星球上,最不缺的就是水和铁。
 
那么,当大量的水或含水矿物通过板块运动,进入地球深部,在高压之下遇到铁,可以设想也将生成二氧化铁,而且量应该不会少。
 
二氧化铁由于其密度高于地幔矿物,但低于地核,因此很可能会漂浮、富集在地核和地幔的交界处,当累积到达临界点,而又遇到偶然因素的刺激,如小行星撞击,地球内部的运动等的影响下,将突然爆发,释放出大量的氧气到地球表面——这可能就是 “大氧化事件” 的始作俑者。
 
除了解释大氧化事件,累积的二氧化铁层块也可能是地核地幔交界面上地震波异常的来源——人们很早就知道,在地核和地幔的交界处有一些区域的地震波速很慢,一直以来没有太满意的解释。
 
“我们既然合成了二氧化铁,也想测量下它的波速,我们发现在一定的混合比例下,基本上和观测到的慢速地震波数据是完全吻合的。” 胡清扬说。
 
不仅如此,如此单一的高压机理,能用来解释的现象还有不少,比如超大陆的分和合,大火山省,生物五次大灭绝,四大冰期,大气中的氧气,甚至有氧生物的出现等等,大有一举定乾坤的气势。
 
而他们后续发表的这一系列发现,其内涵已经愈加丰富,看起来最初突破性的结果即便被 “顶刊” 拒绝,有时并不见得是坏事。
 
高压下的乐趣
 
尽管发现二氧化铁这项工作本身没有耗费太长时间,但就整个高压研究而言,胡清扬也算是个老手了,今年是第十二个年头。
 
“我一直是那种被时代推着走的人。” 胡清扬半打趣地说。
 
原来,2009年8月,胡清扬刚去美国乔治梅森大学读博时,做的是遥感大气,但因为导师的项目源自美国气象局,相关数据涉密,他因为中国公民身份无法参与。紧急之下,他临时更换了导师,才走上了高压研究的路。
 
“还好发现的早,我要是已经参与了一年半载才被迫中断,那问题就大了。我是刚去一两个星期就发现这个问题,幸亏我当时的导师及时帮我联系别的教授,最后做计算材料的生老师收留了我。挺不容易的。” 胡清扬回忆说。
从那个时候开始,胡清扬就研究高压下的铁氧化学的各种性质,只不过集中在传统的氧化亚铁。而材料学方面的研究也让他在传统化学方面有了很好的积累,为他今后从事地球化学帮助不小。
 
可到了博士毕业,胡清扬的研究之路依然存有变数。那时,他曾犹豫过是否进入工业界。
 
“我们做高压用到金刚石,我当时想可不可以卖它,当时确实有一家公司问我,有没有兴趣负责中国的业务。我记得那时第一次参加国内的高压学术大会,不是以科研人员的身份,而是以卖金刚石的销售的身份去的。当时,毛先生也来参会了,对,当时的情况就很尴尬。” 回忆起这一段,胡清扬禁不住大笑了起来。
 
他所说的毛先生,便是高科中心的创立者,美国科学院院士,著名地球物理学家毛河光。胡清扬便是追随着毛先生回了国。
 
人生就是这样,充满了种种偶然和际遇。经过几次波折,胡清扬最终还是决定继续做科研。
 
“我不是说科研一定有多好,可能是适合我这样的。我觉得科研比较单纯,比科研复杂的事情实在太多了。” 胡清扬笑着说。
 
尽管此刻的他看起来神情轻松,其实平日里做科研的压力也是存在的,比如在用同步辐射光源做实验的日子里,他跟同事通常都要连轴转,充分利用好申请好的有限机时,同时希望把样品准备的好一些,尽量避免返工。当然,当发现实验的结果和预想的一致时,内心里也会浮现出几分的喜悦和得意。多年的坚持之下,迎来的便是收获,包括他们提出的为何氧气突然激增的假说。
 
不过,话说回来,胡清扬他们所提出的假说,虽然现在已经有很好的证据支持,但离完善、成熟还有不少的距离。
 
这多少让人想起魏格纳提出的 “大陆漂移说”,在经过几十年的完善和发展后,升级后的 “板块构造理论” 已经成为了20世纪地球科学最为重要的学说。也许,随着研究的继续深入,证据的不断累积,胡清扬等人最初的这一假说框架也会不断进化,若能经受住学术界的考验,或许能成为国人提出的板块理论的2.0版。
 
谁知道呢?科学就是这样,结局难以预料,但不妨碍大胆去试。
 
(文中插图除注明外均为高科中心供图)
 
 
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