菲利普·布兰德，陨石侠

四十五亿年前，现在锁定在我们太阳系小行星和行星中的所有原子——包括构成你的原子——自由地漂浮在一个巨大的盘状尘埃和气体云中。这个被称为星云的云团，像一张慢速播放的巨大唱片一样，庄严地围绕着我们幼小的太阳运转，直到发生了一件事：一个创世时刻。由于至今仍不明的原因，星云凝结，变得多岩石和块状。引力吸积越来越大的块体，直到在短短几百万年内，原始星云演变成了小行星和行星，包括我们赖以进化的地球。但即使是地球上最进化的头脑仍然不明白为什么太空尘埃会凝结成巨石。这个时刻极其重要——这是我们的创世故事——但描述它的证据是零碎的。我们所拥有的只是几十颗稀有而令人费解的陨石，它们是古老小行星的残余物，在我们的太阳系岩石形成之初就在太空中漂浮，然后与地球的轨道相交，划过天空落到地球上。

这些被称为碳质球粒陨石的陨石，包含了我们太阳系如何演化的真相，但对它们证据的解释似乎相互矛盾。一方面，碳质球粒陨石的化学成分与太阳大致相同，这表明它们是古代星云被锁定在岩石中的纯粹残余物。另一方面，它们显示出地质变化的证据，这意味着它们随着时间的推移而发生了变化。但是，如果它们发生了变化，它们就不应该再像纯粹的星云了。科学无法超越一个悖论；在解决这个问题之前，行星的起源仍将是一个谜。

碳质球粒陨石对行星科学至关重要，在地球上却像凤毛麟角一样稀少。但英格兰米尔顿凯恩斯开放大学的地质学家菲利普·布兰德已确定，火星上每平方英里可能散落着多达20万颗陨石——其中相当一部分可能就是这些稀有而珍贵的岩石。摄影：阿拉斯泰尔·塞恩

研究古代陨石有点像在太阳神阿波罗神殿里当祭司——你必须等待石头从天上掉下来作为你的神谕。在这门科学中，你不能培育更多的老鼠或订购更多的试剂。你不能在实验中重新创造星云。相反，你必须想象行星是如何形成的，并寻找一种令人信服的方法来用从少数太空岩石中收集到的证据来检验这个理论。这正是32岁的地质学家和行星科学家菲利普·布兰德，英国开放大学的研究教授，着手要做的事情。他对牛津大学地质学家爱德华·杨在《科学》杂志上提出的一种理论很感兴趣，布兰德认为，有可能弄清楚碳质球粒陨石是如何在地质上发生变化而又不失其太阳纯度的。

菲利普·布兰德最珍贵的童年记忆来自一个暴风雨的早晨，当时他母亲很早叫醒他和他的妹妹，给他们穿上暖和的衣服，把他们从威尔士的一个小度假农舍匆匆带到俯瞰大海的一个多风的悬崖上。她想让他们亲眼目睹这场暴风雨。“我当时只有7岁，妹妹也很小，海浪有20英尺高。但一点也不可怕——只是很美。”男孩看到了母亲脸上陶醉的表情，他像母亲一样爱上了大自然，爱它的崇高之美。但当布兰德的母亲站在大自然面前敬畏它的力量时，小菲尔则带着孩子般无拘无束的好奇心投入其中。例如，他寻找化石时如此专注，以至于在学校郊游时经常落在后面。他的老师不以为然：“看看菲尔，大家——总是在玩石头。”他礼貌地笑了笑，但继续寻找。他的母亲鼓励他的痴迷，为他获得了最珍贵的宝物，一套他们居住的德比郡（英格兰北部）的地质地图。

菲尔的父亲也倾注精力培养儿子的兴趣。他是一位温和而独立的人，讨厌他在劳斯莱斯飞机发动机厂当电工的工作，布兰德说，他“不适合上司的官僚主义”。他教菲尔爱工具，如何使用它们并让它们听从他的指挥。他们所有的周末都在建造：为家里的车建一个车库，为他们继承的“巨型兔子”建一个精致的兔笼，无数的架子和橱柜。

菲尔不可能永远沉浸在父母在家中创造的安全幸福的世界里，但他的人生道路并不明朗。他的家人中没有人上过大学，也没有人期望他去。当他考入曼彻斯特大学时，他决定去上学并不是因为他想追求科学，而是因为他害怕其他的选择：“公务员或者为劳斯莱斯工作。”

在曼彻斯特，他爱上了地质学，并开始瞥见一条可能带他超越德比郡的逃生之路。“当我来到苏格兰的山区，我知道我吃午餐的岩石已有25亿年的历史。这超过了地球年龄的一半。我知道是哪些不可思议的力量造就了它。了解这些为已经美丽的事物增添了另一层美。”到他毕业时，他认为自己知道自己想要什么：在那些山岩旁吃午餐，研究它们的形态。

尽管他决心攻读博士学位，但钱是个问题。在英国，博士奖学金很少。“银行已经在追我了，”他说，“追我本科时欠下的贷款。”他觉得别无选择，只能找份工作，而不是冒进一步负债的风险，所以他抓住了他能找到的唯一一个有趣的地质职位：米尔顿凯恩斯开放大学博物馆的陨石策展人，离伦敦西北方向一小时车程。

他对陨石了解不多，但他“一直对那些极客的太空事物感兴趣”，所以他开始阅读所有能找到的关于陨石的资料。他感到沮丧的是，尽管有许多陨石的发现地点和时间的记录，但没有人知道它们在地球上经历过多少变化。布兰德认为他可以使用穆斯堡尔光谱仪（研究人员40多年来一直依赖的一种简单工具）来分析矿物成分，从而找出这个问题。随着时间的推移，地质作用——热量、水流和压力——会改变矿物的结构，穆斯堡尔光谱仪可以通过检测伴随结构变化的电子转移来量化变化的程度。

布兰德推断，陨石在地表停留的时间越长，它就越受到地球气候的侵蚀，尤其是雨水的暴露。他开始分析陨石，寻找那些因岩石中水流而变化的矿物，地质学家称之为水蚀变过程。然后他开始追踪陨石中常见的矿物，例如铁镍，它在有水的情况下经过数个世纪会慢慢变成磁铁矿。布兰德使用他的穆斯堡尔光谱仪测定了每颗陨石中磁铁矿与铁镍的比例。他认为，这个比例越高，陨石经历的蚀变就越多，因此，在地球上经历的风化作用就越大。

他还意识到，如果他计算给定区域内的陨石数量，并将其与它们的风化程度进行匹配，他就可以精确计算出在给定时期内该区域坠落了多少陨石。他的结果提供了第一个确凿证据，表明在过去的5万年里，陨石以恒定的速度坠落——大约每4000万平方英里每年坠落100颗重量超过10克的陨石。

开放大学的行星科学家们印象深刻。他们立刻意识到布兰德的工作远不止量化了他们收藏的陨石的风化程度。他开创了一种方法。陨石通常是细粒岩石，难以用设计用于研究粗粒地球岩石的地质工具进行分析。由于在父亲的指导下度过了多年，布兰德非常适合改进这些仪器来检查陨石。系里鼓励他将自己的工作写成硕士论文。当他交上去后，他们却授予了他博士学位。“我得到了一个划算的博士学位，”他回忆道。那是1995年，他才26岁。

为了识别和量化陨石中的矿物质含量，布兰德依赖于一台X射线衍射仪。摄影：阿拉斯泰尔·塞恩

尽管如此，成功也伴随着苦涩。从山脉到陨石，布兰德几乎没有什么资历或推荐。他获得博士后职位或学术职位的机会渺茫。未能找到大学职位让他怀疑这个体系是否对工厂工人的儿子有所偏见。开放大学的朋友兼同事安娜·巴特沃思说：“菲尔认为，如果他去了牛津或剑桥，对他来说会更容易。我还有另一个朋友去了剑桥，菲尔讨厌他，嘲笑他的‘剑桥’口音。那是我唯一一次知道菲尔不喜欢一个人。”

布兰德顽强地致力于陨石研究，他拼凑了一些短期项目。“他申请了所有能申请的资助，”巴特沃思说。“他被前10个拒绝了。我们其他人都会放弃，但他坚持申请，最终开始获得资助。”

在获得资助的间隙，他通过做木匠和软件设计师来维持生计。他尽可能参加陨石会议，并开始与陨石学家通信。许多人似乎被他独立思考和热情所吸引。布兰德“有点自负”，更沉稳的爱德华·杨说，“但并非缺点。他也是一个非常聪明和谦逊的人，一个‘普通人’。他的说话方式非常实在，但在一次科学会议上，你会意识到这表象背后隐藏着多少东西。”

布兰德勉强维持生计的生活变得乏味。他怀疑自己是否能获得学术职位，但他决心继续研究陨石。“我有一个朋友有一台穆斯堡尔光谱仪，所以我仍然可以用它来处理我的数据，并在业余时间进行科学研究，”他说。他开始把自己看作一个木匠-科学家，如果他的痴迷思考没有带来一些非常好的想法，他很可能就会过上这种独特的设想生活。这些想法反过来又促使他获得了伦敦自然历史博物馆的研究职位。

试图通过观察陨石来弄清楚我们太阳系是如何形成的可能是一个曲折的过程。例如，试着理解这三个陈述：第一，保存完好值得研究的大约30块碳质球粒陨石可能不完全相同，但它们都与我们的太阳具有大致相同的化学成分——相同比例的相同化学元素。第二，太阳的化学成分应该与原始星云的化学成分相同，因为它也是由星云形成的。第三，因此，碳质球粒陨石是纯粹的星云物质（三段论：如果太阳和星云相同，并且太阳和陨石相同，那么陨石和星云也必须相同）。这些陨石中的一组化学成分——挥发物——特别好地支持了这个三段论：碳质球粒陨石中挥发物的含量和比例与太阳中的相似——而其他陨石则不然。然而，挥发性元素在水中极易溶解，因此雨水，尤其是在炎热气候下，会将其从岩石中去除。然而，分析表明，碳质球粒陨石中的矿物已被太空中水流改变。所以这就是谜团：水为什么没有去除挥发物？

一旦他在自然历史博物馆安顿下来，布兰德便致力于用他那可靠的穆斯堡尔光谱仪来解决这个难题——他现在在他的实验室里有一台自己的机器嗡嗡作响。尽管碳质球粒陨石中的地质蚀变已经确立，但它们的矿物成分的完整记录却没有。布兰德解释说：“在非常基本的层面上，我们知道里面有什么样的东西，但我惊讶地发现，没有人真正知道这些东西的比例是多少。”就在那时，布兰德偶然发现了埃德·扬的论文。

杨仔细观察了各种碳质球粒陨石之间的差异，并特别关注了它们的化学和地质。作为氧气（当包含在这些陨石中时是挥发性的）专家，他使用计算机模型比较了不同氧同位素（不同重量的氧：^16O、^17O、^18O）的量与每颗陨石中蚀变量的关系。在他的推测中，他看到了以前没有人注意到的东西：任何给定碳质球粒陨石中较重原子量氧的百分比与它所经历的蚀变量成正比：蚀变越多，存在较重氧的量就越多。杨认为，这只有在水流经岩石，留下更多较重同位素的情况下才是一致的。布兰德感到震惊。挥发物含量和地质蚀变直接成正比？化学和地质不再看起来相互矛盾，而是因果关系。布兰德推断，如果这对所有挥发性元素都成立，那么碳质球粒陨石中发现的星云化学纯度并非是尽管存在蚀变而存在。它之所以存在，正是因为蚀变。悖论结束。

布兰德兴奋地给杨打电话。“太激动人心了！”他回忆道。他们讨论了如果布兰德能找到所有挥发物的确凿证据，那将意味着什么。如果地质蚀变真的给岩石添加了挥发物，而不是去除了它们，他们必须解释这如何可能发生。事实证明，这并不难想象。布兰德和杨没有将每颗陨石视为一个封闭系统，一个孤立且保存完好的星云碎片，而是将每颗陨石想象成一个在太空中经历风化的开放系统。他们推测，随着星云的吸积，不同类型的元素会单独聚集在一起。就像油和醋分离一样，非挥发性元素凝结成岩石矿物，而挥发性元素则冻结在冰中。这种分离并不牵强，因为元素在地球上倾向于以这种方式结合——这可以在实验室中证明。布兰德和杨推断，在小行星的生命周期中，陨石会因岩石内部的放射性衰变而受到热量影响，这将导致富含挥发物的冰融化并流动。这种流动改变了岩石中的矿物，而没有带走挥发物，因为它们一开始就不在岩石中；它们在冰中。由于变质矿物更像粘土并且“粘稠”，正如布兰德所说，流动水中的挥发物倾向于滞留在粘稠的矿物中并留在那里。因此，蚀变越多，小行星中挥发物就越丰富。

他使用一台由实验室两位研究人员根据其规格定制的质谱仪，测量微小陨石碎片中的矿物蚀变情况。摄影：阿拉斯泰尔·塞恩

这是一个巧妙的想法，被科学家们喜爱的理论优雅所加冕，而先前的理论缺乏这种优雅。它的影响挑战了该领域的基本信念。性质截然不同的陨石，实际上可能来自同一个母体，并在形成后被太空中的风化作用所改变。然而，巧妙的想法不等同于公认的理论。需要证据。布兰德必须回到陨石，证明所有碳质球粒陨石中的挥发物与蚀变之间存在关系。

几个月后，去年某个下午，布兰德坐在博物馆地下室办公室的椅子上，疲惫不堪，当他的电脑吐出结果时，他震惊了。“无论我看向哪里，[挥发物]丰度和蚀变都排成直线。我当然以为我搞砸了，”他带着一丝微笑回忆道，“然后我才意识到我看到了什么。”陨石中挥发物的含量——以及因此它们对星云组成的说法——与它们地质蚀变的程度成正比。这些数据提供了强有力的证据，表明地质蚀变将挥发物置于其中。“这真是太美了。就像回溯到星云时代，你知道吗？人们为了弄清楚这些东西已经辛苦了多年，而它就在我面前，一个前所未有的自然基本过程——如果我是对的。”

如果他是对的，那么碳质球粒陨石毕竟是可靠的神谕，地质学不再与化学相悖。时间——以及更多艰苦的工作——会证明一切。其他人必须重复这些发现。但最终，我们将会知道布兰德的数据是否会使其他理论，用杨的话说，“多余——甚至荒谬”。如果他是对的，科学家们就可以开始研究那神秘的创世过程，这个过程孕育了一个能够研究40亿年前事件的进化生物的行星。

布兰德本人以地质学家的健康视角来看待自己的研究，他思考的是漫长的地质年代。“假设这个过程有终点是很危险的，”他说，“假设任何当前的科学理解都占据着特殊的位置。后人会利用我们的一些东西，丢弃一些，然后更接近事物的真相。”