能打造“神兵”的天外玄铁真的存在吗？

中科院物理所

2024-12-17 12:00发布于北京中科院物理所官方账号

在古代传说和经典文学中，神剑往往是英雄和帝王手中的利器，而这些神剑似乎无一例外，乃是天外玄铁所铸，其锋利坚硬堪称斩金断玉，削铁如泥。
《三国演义》中曹操刺杀董卓使用的七星刀，《神雕侠侣》中杨过武功大成后持有的玄铁重剑，《倚天屠龙记》中的倚天剑屠龙刀，无不是用天外玄铁铸就的劈山断流的宝剑宝刀！这些传闻、故事、小说中的神兵利器，更让人对其垂涎三尺。那这些“天外玄铁”究竟为何物？真的有用天外玄铁打造的神兵利器吗？如果你也对此保持好奇，那就跟我一同看下去吧！
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图：电视局《三国演义》中的七星刀

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图：影视剧《神雕侠侣》

天外玄铁与其

打造的“宝剑”真实存在吗？

其实这“天外玄铁”并非传说中的什么神秘之物，你未曾见过但一定听过，它们就是来自宇宙深处的陨石。陨石(meteorite)是从外层空间落到地球上的固体物质，质量大小从几克到几十吨不等。陨石和流星(meteor)都来自流星体(meteoroid)，当流星体足够大，并能够经受住大气层的严峻考验落到地面，即为陨石。而其中有一类陨石则有很高含量的铁，古人目睹陨石从天而降，往往视其为天神的赠礼，因而赋予它们神秘的力量，将其铸成在古代象征权利和身份的宝剑。
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图：陨石

而用天外玄铁铸就的宝剑（刀）也真是存在。在1922年，英国考古学家霍华德·卡特（Howard Carter）在发掘图坦卡蒙法老墓时，发现了一把极为精美的匕首。这把匕首的刀片部分是由铁制成的，而手柄则由黄金装饰，圆头以水晶打造。这把匕首的刀片并非由普通的铁或铜制成，研究团队通过X射线荧光分析发现，匕首中的铁、镍和钴的比例与埃及红海沿岸发现的陨石成分相似，特别是与哈里杰（Kharga）陨石的成分几乎一致。同时科学家还发现这把匕首尽管已经在墓中埋藏了3000多年，但它却没有生锈。而这么神奇的陨石它又是来自于哪里呢？

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图：图坦卡蒙法老墓（上）发现的匕首（下）

陨石的起源与种类

陨石的起源可以追溯到太阳系形成初期的原行星盘。太阳系的诞生始于巨大的气体和尘埃云，即太阳星云。这片星云由之前恒星的残余物组成，在自身引力下开始坍缩并旋转，旋转速度越来越快的同时变平成圆盘状，太阳位于中心。随着圆盘继续旋转，小团尘埃和气体开始粘在一起，形成越来越大的物体，这些被称为星子的物体是行星的基石。但并非所有星子都变成了行星，有些仍然是小岩石体，被称为小行星，至今仍围绕太阳运行。还有一些小行星发生碰撞并分裂，形成了一个由岩石和尘埃组成的碎片场，即小行星带。当两颗小行星相撞时，会产生大量碎片，这些碎片可能在太空中飞驰。这些宇宙碎片因一系列因素被地球引力捕获而落到地球上，在这个过程中由于大气摩擦，很多来自外空间固体物质燃烧而解体，直至化为尘埃，这就是我们所见到的流星。不过也有一部分“个头”很大陨石经受住了大气层的考验，安全降落到地球，成为了陨石。
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图：太空中漂浮的固体物质

可惜的是，尽管每天落到地球上的陨石平均重量在1000~10000t之间，但大部分落在占地表2/3的海洋里，一部分落在人烟稀少的沙漠、森林和山区，仅有少数的陨石才有机会被人们发现。也因此有许多陨石猎人（科研工作者）前往沙漠和极地地区（南极和北极）去寻找陨石的身影。
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图：沙漠与南极中寻找陨石的猎人
即便如此人类对陨石的研究也已有几百年的历史，近几十年来发展尤为迅速。现在，人们对陨石的类型、组成及其演化途径已经有了比较统一的认识。在地球和空间科学研究中，科学家们常常把陨石按球粒结构分类分为，球粒陨石（Chondrites）与非球粒陨石（Achondrites）。
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图：球粒陨石（上）、非球粒陨石（下）
不过，对于铸剑师来说，也许把陨石按照成分划分更有意义，依据成分我们可以把陨石划分为：石陨石（Stony Meteorites）、铁陨石（Iron Meteorites）、石铁陨石（Stony-Iron Meteorites）。
石陨石（Stony Meteorites）与地球上的岩石相似，主要由硅酸盐矿物组成，约占所有陨石的90%以上，是最常见的陨石类型。上文中提到的球粒陨石就都是石陨石。而铁陨石则与石陨石非常不同，其主要由铁和镍组成，质地紧密，重量较大，表面具有非常明显的金属光泽，通常显示出明显的威德曼纹（Widmanstätten pattern）。铁陨石含量很少，约占陨石总数的5%。还有一种石铁陨石是一种相对稀有的陨石类型，约占陨石总数的1%。它们既含有石质成分，也含有金属成分，是石陨石和铁陨石的过渡类型。
显而易见，铁陨石就是我们苦苦寻找的“天外玄铁”，它也凭借超高的含铁量和极度的稀有性，成为了很多古代文明被视为锻造神剑的上乘材料。

铁陨石打造的宝剑

真的“无坚不摧”？

小说里用天外玄铁铸剑，剑成时往往能造成“风云变色，山河震动”的异象，宝剑挥动，连周围的空气都为之震颤。这显然是夸张的想法，不过，相比古代普通的刀剑，古埃及法老匕首历经3000千年都不腐蚀（法老墓穴的干燥环境和封闭条件也被认为被保存完整的原因之一），还是能说明铁陨石的神奇之处。
铁陨石主要由铁和镍构成，其中许多铁陨石铁含量可以达到90%以上，与之相比，地球上的铁矿石（基本均为铁的氧化物）通常含有大量的杂质，含铁量最高的矿石磁铁矿矿石含铁量量也就70%左右。地球上的铁矿石通常含有大量的杂质，如硫、磷、硅等。而古代冶炼技术有限，人类还不能高效去除这些杂质，这些杂质会在冶炼过程中影响铁的纯度和质量（特别是硫、磷等，这些杂质不仅降低了铁的硬度，还会使铁变脆）。铁陨石由于是在宇宙中自然形成的，其铁质非常纯净（尽管现代科学研究有些铁陨石在化学成分上还可能含有Co、S、P、Cu、Cr、Ga、Ge和Ir等元素，但含量非常低）。这种高纯度的铁可以直接用来铸造武器，而无需像地球铁矿那样经过复杂的提纯过程，效果自然更好。
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图：铁陨石：新疆阿勒泰世界第三大铁陨石（上）、纳米比亚世界第一大铁陨石（下）
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表：各类铁陨石元素含量总表（极少数铁陨石，由于镍含量特别高，导致铁含量相对低），数据来源于Scott, E. (2020, September 28). Iron Meteorites: Composition, Age, and Origin. Oxford Research Encyclopedia of Planetary Science.
此外，铁陨石不仅含有高纯度的铁，还含有5%至20%不等的镍。镍是一种重要的合金元素，它能够显著提高金属的硬度和韧性。在现代冶金中，铁镍合金常被用于制造要求高强度和耐腐蚀性的材料。而在古代，能够直接获取这种天然的铁镍合金，是非常难得的。与普通的铁制品相比，铁镍合金制成的剑更具耐久性，不易被腐蚀或磨损，这也是宝剑千年不腐的秘密。
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图：各类铁陨石镍含量，数据来源同上
此外，铁陨石的内部结构还会呈现出独特的魏德曼纹（Widmanstätten patterns）。它由镍铁晶体交替排列而形成的独特图案。魏德曼纹是由于铁陨石在宇宙中极其缓慢的冷却过程中形成的，这种过程使镍铁合金中的镍与铁在微观层面上形成了高度有序的晶体结构。这种有序排列使得威德曼纹结构的金属具有很高的稳定性，能够抵抗应力和变形。
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图：魏德曼纹结构

陨石的科学价值

随着科学的发展，陨石在科学研究中发挥了更重要的价值。因其源自地球外的其他天体，能够提供关于太阳系的形成和演化、行星的地质历史以及宇宙物质成分的重要信息。

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研究太阳系的形成与演化

陨石是太阳系早期形成的遗物，尤其是球粒陨石，其成分和结构几乎没有经历过变化，因此被认为是太阳系最原始的物质之一。通过分析陨石的化学成分、同位素比值和矿物结构，科学家可以推测太阳系的形成过程及其早期演化阶段。这些研究帮助我们了解原始太阳星云中的化学环境和形成行星的物质。例如，Connelly, J. N., et al. (2012) 在《科学》杂志上发表的研究《The Absolute Chronology and Thermal Processing of Solids in the Solar Protoplanetary Disk》通过对陨石中的钙铝丰富的包裹体和球粒进行详细的年代测定，揭示了太阳原行星盘中固体的形成和热处理过程。提供了关于太阳系形成时间线的深入见解。

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揭示行星的地质历史

部分陨石来自火星、月球或其他小行星，这些陨石为我们提供了这些天体的地质样本，而无需进行昂贵的太空探测任务。例如，月球陨石和火星陨石的分析可以揭示这些天体的火山活动、地壳组成、风化过程以及水的存在情况。这对于理解地球以外的行星地质和演化提供了直接证据。例如，Borg, L. E., et al. (2001) 在《科学》杂志上发表的研究《The Age of the Carbonates in Martian Meteorite ALH84001》通过对火星陨石ALH84001中碳酸盐的年龄进行分析，提供了火星上过去水活动的证据。

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生命起源的研究

陨石中发现的有机分子，如氨基酸等，为研究生命的起源提供了重要线索。这些有机分子可能是在太阳系形成早期的化学反应中形成的，并在陨石中保存下来。这些发现支持了生命可能在地球之外的其他天体上也存在，或者生命的基本成分可能由陨石或彗星携带至地球的假设。例如，Callahan, M. P., et al. (2011) 在《美国国家科学院院刊》上发表的研究《Carbonaceous Meteorites Contain a Wide Range of Extraterrestrial Nucleobases》探讨了碳质陨石中含有的外星核碱基的多样性。这项研究通过对陨石样本的分析，发现了多种非蛋白质氨基酸和核碱基，这些化合物在地球上并不常见，但在陨石中却有丰富的存在。这些发现对于理解生命的起源和宇宙中生命分子的分布具有重要意义，因为它们表明生命的基本组成部分可能在地球以外的环境中形成。
最后我们不禁要感慨：那些传说中的天外玄铁所铸神剑，并非完全虚构。图坦卡蒙法老手中的匕首，正是历经千年依旧锋利如初的天外铁证。也许，你身边某块毫不起眼的石头，正是千百年前坠入地球的宇宙访客，它曾见证星河变迁，跨越无尽的时空，最终化为手中利器，映照出人类对未知世界的无尽探索与渴望。千年之前的工匠或许未曾预料到，他们手中的锤与砧，竟然能将宇宙的碎片锻造成传世之宝。而今，我们也在不断追寻星空中的秘密，探求那些仍未被解开的谜团。或许，下一个传奇正等着你去发现，用那块未被识破的“天外玄铁”，去铸就属于你的故事。
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