世界首次核爆炸玻璃残骸里，藏着一种地球上本不该存在的晶体

1945年7月16日凌晨5点29分，新墨西哥州沙漠上空升起了人类历史上第一朵蘑菇云。

那次代号"三位一体"的核试验，将一座30米高的钢铁测试塔、大量铜制电缆和仪器，连同周围的沙漠沙土和沥青路面，瞬间汽化，熔合成一种此前从未见过的玻璃状物质，后来被科学界命名为"三位一体石"（Trinitite）。80年后，科学家们还在从这些绿色和红色的玻璃碎片里，挖掘当年那一瞬间留下的秘密。

最新的发现发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上：由意大利佛罗伦萨大学地质学家卢卡·宾迪领导的研究团队，在一块红色三位一体石样品中，找到了一种此前从未在核爆炸产物中被发现过的晶体结构，笼形化合物（clathrate）。更令人惊叹的是，这种结构在正常的地球环境条件下，根本不可能自然形成。

矗立在三位一体核试验遗址上的纪念碑。（Lily Kimei/iStock Editorial/Getty Images Plus）

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一瞬间凝固的极端物理条件

要理解这个发现的特别之处，需要先搞清楚笼形化合物是什么。

笼形化合物是一种晶体结构，原子排列成笼子形状的晶格，可以将其他原子"关"在笼中。这种结构在自然界中极为罕见，形成需要非常苛刻的特定条件，普通的实验室合成方法通常也难以复现。此次在三位一体石中找到的，是一种由硅原子构成的笼子包裹单个钙原子的结构，笼中还含有微量的铜和铁，学名为钙铜硅酸盐I型笼形化合物，这一结构组合在人类已知的矿物学记录中前所未见。

它之所以能够存在，完全要归功于1945年那次爆炸制造出的极端瞬态条件。爆炸释放的能量相当于2.1万吨TNT，爆炸点温度超过1500摄氏度，压力高达5到8吉帕斯卡，相当于地球内部深处才会出现的环境，而这一切在爆炸后极短时间内骤然消退，熔融物质迅速冷却凝固。

三位一体矿样品的纳米断层扫描图像，其中玻璃呈蓝色，铜包裹体呈橙色。（Bindi 等人，PNAS，2026）

这种"极端升压、迅速骤冷"的过程，将原子锁定在了一种它们在常规热力学条件下根本不会选择的排列方式中。三位一体石，因此成了一张凝固在玻璃中的物理学快照，记录着那一瞬间的温度、压力和元素组成。

宾迪团队用X射线衍射技术分析红色三位一体石样品时，在一个富铜液滴的内部探测到了这种异常的原子构型。红色三位一体石之所以罕见，正是因为它含有更多来自爆炸塔和铜制仪器的金属成分，化学组成更为复杂，也更容易藏匿意外结构。

两种"不可能"的晶体，共存于同一块玻璃

故事还有另一层让人意外的转折。

含有笼形水合物的微小铜团。（Bindi 等人，《美国国家科学院院刊》，2026 年）

早在2021年，宾迪的团队就已经在同类红色三位一体石中发现过一种准晶体（quasicrystal），同样是核爆炸产物中的首例。准晶体是一种原子排列具有非周期性对称的特殊结构，诺贝尔化学奖得主达尼埃尔·谢赫特曼因发现准晶体而获奖，它的存在曾一度被认为违反了晶体学的基本定律。

这一次，笼形化合物竟然与准晶体共存于同一块样品中，两者成分相似，形成条件也高度重叠。这让研究人员自然而然地产生了一个疑问：它们之间是否存在关联，准晶体是否可能由笼形化合物演变而来？

从红色三位一体石样品中分离出了笼形水合物。(Bindi et al., PNAS , 2026)

团队随即建立数学模型进行验证，结果显示，虽然这条演变路径理论上并非不可能，但样品中铜的浓度太高，与之不符。换言之，这两种结构，在同样的极端条件下，用几乎相同的原料，在同一个样品中独立生成了两条截然不同的晶体演化路径。

这个结论本身，比任何单一发现都更耐人寻味。它意味着在极端非平衡条件下，物质可以以超出现有理论预期的方式分叉，走向多种不同的稳定或亚稳定构型。

图示为笼形水合物的结构，灰色球体代表硅，橙色和红色球体代表钙位点。 (Bindi et al., PNAS , 2026)

研究人员指出，核爆炸、闪电和超高速撞击这类罕见的高能事件，实际上是天然的极端合成实验室，能够产生传统化学合成完全无法触及的物质形态。对这些物质的研究，不仅是矿物学层面的猎奇，更可能为量子计算所需的新型晶体材料开辟意想不到的研究方向，并为核爆炸遗址的法医鉴定提供更精细的物质指纹。

一块爆炸后留下的玻璃碎片，八十年后仍在讲述新的故事。