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鑽石

恆久遠，一顆永留存。”這句經典的廣告臺詞，想必也能引起廣大的共鳴，鑽石也成為了大家心目中永恆的象徵。

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《自然》雜誌的一篇論文中，研究團隊對鑽石施加約兩千萬倍大氣壓力（約是地核中心壓力的5倍），發現鑽石的物質結構依舊可以在極高壓環境下穩定存在。這個結果除了展現鑽石結構的穩定性，也可以幫助我們瞭解系外行星的核心構造。

當行星的體積愈大，其核心的壓力就隨之增加。例如：地球核心，壓力約為350萬大氣壓；體積較為龐大的木星，核心壓力則高達7000萬大氣壓。太陽系外被發現的超級地球（Super-Earth，質量大於地球但小於天王星的行星），壓力也可達到4000萬大氣壓。若是該行星主要由碳元素組成，便有可能形成所謂的“鑽石星球”。鑽石是碳元素的一種特殊排列方式，在地表（一大氣壓）的條件下，碳最穩定的排列方式是石墨。當施加足夠大的壓力時，鑽石的結構勝出。這也是為何在地球深處，碳元素較容易被發現以鑽石形式存在。

但是當壓力增大到超過地核可能出現的情況時，當前的理論預測存在其他數種更穩定的晶體結構。這時問題就來了，在這些“鑽石星球”中，碳元素是否就真的以鑽石形式佈滿整個星球，還是其實在星球核心極端壓力的作用下，鑽石會逐漸被轉化為其他結構呢？

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就有物理學家用上百道極高能量的鐳射，同時聚焦在鑽石樣品上。龐大的能量被轉化為壓縮波，於短時間（納秒尺度）內施加千萬倍大氣壓於樣品上，並同時透過X光了解鑽石的結晶結構是否發生變化。

最後的分析結果顯示，鑽石在這種極端條件下依舊可以保持穩定結構。但是，理論不是告訴我們在這個條件下，鑽石並非最穩定的存在嗎？沒錯，所以準確來說，這個研究結果其實顯示的是：鑽石在這種條件下是“準穩態（亞穩態）”。

到底穩不穩定？準穩態是什麼？

一個狀態是否穩定，可以透過考慮施加一個輕微的擾動，觀察此狀態在擾動後，是否可以回覆原狀態。若是可以回覆，則稱為穩定態。通常來說，一個系統內可能存在多個穩定態。讓我們想像如圖一的一個山坡：除了最底部的山谷（A點），在山腰處還有一個凹洞（B點）。若我們在其中各放一顆小球，施加輕微擾動，這兩顆球最終都還是會回到原位，所以可知這兩個地方都是穩定態。但是它們“穩定的程度”卻不相同，或者可以說“抵抗擾動能力”不一樣。當擾動程度逐漸增加，放在B點的小球，就有機會突破山壁（區域性位能障礙），而最終進入A點的穩定態。因此，如B點的狀態，我們稱其為“準穩態”，它雖然是穩定的，但若是外加條件改變過於劇烈時，也可能使其改變。

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圖1

圖1，處於準穩態（B點）的小球，當受到外在擾動較輕微時可以維持在原本狀態；但若擾動劇烈，便可能脫離原狀態，進入能量更低處（A點）。

讓我們再重新描述一次不同外在條件下碳的結構變化：在常溫常壓下，碳最穩定的狀態是石墨。在這個條件下，石墨處於A點的最穩定態，鑽石則是B點的“亞穩態”。我們怎麼知道此時鑽石是亞穩態呢？這點可從日常生活經驗得知：若是鑽石在常溫常壓下是不穩定態，就可以發現珠寶店內的鑽石項鍊逐漸變成石墨了！當我們深入地球深處，隨著溫度及壓力提升，鑽石成為最穩定狀態，此時石墨無法穩定存在，會被逐漸轉化為鑽石。但當壓力增加到約一千萬倍大氣壓時，最穩定的狀態又換人當了。然而，和前面的石墨不同，研究者們發現鑽石在這種情況下依舊可以穩定存在。得益於其碳元素間穩定、強力的化學鍵，無論是在低壓或極高壓的情況下，鑽石都能以穩態的形式存在。

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石墨

晶體形態千變萬化，漆黑的石墨與澄澈明亮的鑽石，只是由於碳元素不同的排列方式。對晶體穩定態的研究，除了可以讓我們對生活周遭的物體有更深的認識，也能將認知推往遙遠的地球之外：若是透過研究發現碳元素在極高壓下並無法以鑽石形式存在，或是根本無法以固體存在。那麼遙遠的將來的鑽石星球“登陸”計劃，也許就要再好好三思了！