【編者按】

從《西游記》故事里的“水晶宮”，到項下腕間對應著色彩招財、招桃花的水晶飾品，有著夢幻色彩的水晶，卻是寶石中相對親民的品種。水晶的顏色為何如此豐富多彩？水晶與玻璃如何鑒別？現實中是否真的有水晶建筑？水晶又為什么險些成了潛艇克星？來一起讀個掃盲貼，了解下這熟悉的陌生人。本文摘自《石頭記》，由澎湃新聞經北京大學出版社授權發布。

在古人眼里，水晶是“千年之冰所化”“水之精靈”，是建造水底龍宮的材質，只要嘴里含上一塊就能夠止渴，甚至還有人相信透過它可以看到千里之外的世界。水晶是什么？真的和水有關么？

水晶與水精

《山海經》中記載：“堂庭之山多水玉。”南宋詩人楊萬里有詩曰：“西湖野僧夸藏冰，半年化作真水精”。此處的“水玉”和“水精”都是水晶之別稱。屈原曾賦詩贊美水晶曰：“登昆侖兮食玉英，與天地兮同壽，與日月兮同光。”這里的玉英也是水晶的別稱。唐代詩人崔玨寫詩贊譽一塊水晶做成的枕頭：“千年積雪萬年冰，掌上初擎力不勝。南國舊知何處得？北方寒氣此中凝。”詩中極其形象地描繪出水晶的特殊魅力，它仿佛是千年積雪、萬年寒冰變成的美玉，澄澈的晶體似乎容納了南方秀美怡人的風景和北方沁人心脾的涼爽，構成了一幅絕美的晶中世界。

對于水晶的早期認識，中西方的觀點基本一致。據說，羅馬人最早在阿爾卑斯山上發現了水晶，由于山高陡峻而且四季積雪，他們也認為水晶是冰變成的。

水晶與石英

我們現在知道，水晶跟水沒多大關系，也不一定就是無色透明的，從其礦物成分上來看，它只不過是石英，即二氧化硅，化學式為SiO2，這種礦物是地球上數量最多的礦物之一，按照體積來計算，石英礦物占到了整個地殼的11.9%。當我們踩在海邊的沙灘上，腳下細膩的沙粒大部分都是二氧化硅。但是結晶完美的石英超凡脫俗，成了一種最純凈的寶石。水晶不僅深受古人喜愛，也得到現代人的追捧。小塊兒的可以做成吊墜、耳釘，塊兒頭較大的則可以制成觀賞石，擺放于家中，正映襯了文人墨客智者樂水仁者樂山的閑情逸致，可謂各得其樂。如今，日本、瑞典、瑞士和烏拉圭等國家都把水晶作為國石。

水晶家族不僅在地球上分布范圍很廣，而且顏色多變，異彩紛呈，除了純凈無暇的透明水晶之外，還有乳白色的“乳石英”、紫色的“紫晶”、金黃色或檸檬色的“黃晶”、淡粉色的“薔薇水晶”、紅色的“紅水晶”，綠色的“綠水晶”，還有的內部包裹著柱狀或針狀物的，名為“發晶”，倘若含有不同雜質，以隱晶質的形式在巖石的裂隙或空洞中分層沉淀，會形成具有同心環狀或多色條狀結構的石英集合體——瑪瑙。

遠觀水晶，清澈透亮是它最大的特點，當我們走近它的時候，就會發現，水晶的晶體具有規則的六棱柱形狀，有些柱體為一頭尖，有些是兩頭都尖，還有多條長柱體連結在一塊，像怒放的花朵，十分美麗。這是為什么呢？

從礦物學角度來說，不同的晶體都有不同的形態，有的是針狀，有的是板狀，有的是粒狀，還有的是柱狀，這主要取決于晶體的內部結構。但是通常情況下，我們難以觀察到它規則的單晶形態，這是由于晶體的生長還受到外界環境的影響，比如溫度、壓力、溶液濃度等物理化學條件及空間情況，如果條件恰當，水晶可以長得很大。吉尼斯紀錄中所記載的“最昂貴的浴缸”，是一塊完整的水晶制品，長約2米，重約2噸，它是從一塊重達10噸的水晶中直接切割出來的，在倫敦著名的哈羅茲百貨公司銷售，標價為84.5萬美元。我國新疆、內蒙古、江蘇、海南等省區均有水晶產出，其中以江蘇東海縣的水晶最為著名。東海縣內已經探明的天然水晶儲量約為30萬噸，種類繁多，質地純正，堪稱“水晶之都”，1958年曾在這里發現過一塊重達4噸多的“水晶王”。目前，東海縣已經成為聞名世界的天然水晶原料集散地。

當地下深處存在空洞時，如巖洞、巖石裂縫等，在含有飽和二氧化硅的地下水環境中，如果具備合適的條件，比如有兩三個大氣壓的壓力，水溫在500～600℃之間，二氧化硅便會從溶液中自發生成晶芽，過飽和溶液中的二氧化硅分子便會粘附在晶芽上，以洞壁或裂隙壁作為共同基底，經過數萬年甚至上千萬年的時間，最終結晶成為長長的六方柱狀的美麗水晶，大量的單晶體朝著自由空間中發育形成集合體，就是晶簇構造，因為形成于孔洞內，這樣的構造就是晶洞。1900年，人們曾經在南美洲的巴西發現了一個規模罕見的水晶洞，晶洞深9.7米、寬1.9米、高0.9米，洞中的水晶總重量達35噸，其規模之大堪稱世界之最。我國湖南省耒陽縣上堡硫鐵礦區也曾經發現過一個巨大的水晶洞，該洞長8米，寬1.7米，高1.6米，規模之大、形態之美十分罕見。現如今，很多人相信紫晶洞具有紫氣東來、鎮宅辟邪的寓意，所以喜歡將大塊紫晶洞一剖為二，擺放在家中客廳里或辦公室內，成為當前流行的一種風水石。

顏色與能量

水晶的顏色為何如此豐富多彩？很多學者提出過不同的觀點。比如煙晶，這種水晶由表及里透著一種煙黃色甚至是暗褐色，仿佛被黑煙熏過一般，某些煙晶的顏色可能會發黃，被稱作“茶晶”，若顏色暗黑，則被稱為“墨晶”。有種說法認為，煙晶發黑是由于其中含有少量的碳元素所致，《地質大辭典》中對煙晶的解釋為：“色素是含碳所致，黑的深淺決定于碳的多少，全黑者稱墨晶。”但凡提到墨字，我們自然而然地會想到碳，但隨著研究的不斷深入，有人對此提出了質疑。

類似于紫晶，長期以來人們認為紫晶的紫色是雜質元素鐵或錳、鈦等混入引起的“他色”，雜質含量的多少影響紫色的深淺，但是后來的研究發現，當紫晶被加熱到450～500℃時，紫色會消退并變為黃色，所以也有人認為紫晶的顏色只是因為內部鐵離子的電子層發生變化所引起的光學現象。同樣的，有人對煙晶進行加熱，當達到225℃時，煙晶開始慢慢褪色，隨著溫度不斷升高，褪色速度也加快，直至變為無色。

這表明，水晶的顏色變化肯定和能量有著密切的關系。

我們知道，礦物晶體的結構是在空間范圍內周期性的重復排列，但有時候，某種雜質的出現會在某一個或幾個結點上將這種重復性排列的晶體結構破壞掉，比如，石英晶體中原本是二氧化硅，但有時候其中的硅Si4+會被鋁Al3+所代替，此時，正電荷較少的陽離子進入晶格中代替了正電荷較多的陽離子，從而會導致局部電中性遭到破壞，在受到外界X射線、γ射線、中子轟擊時，晶體損傷形成晶格缺陷，這些微觀的缺陷就可以束縛電子或形成可見光的吸收中心，從而在晶體中引起顏色的變化。

1979年，一位學者采用鈷-60對一種無色水晶進行輻射處理之后，竟然真的將其變成了煙晶，這是人類首次通過實驗的方式證實了以前的猜想。這位學者所采用的鈷-60是一種放射性金屬元素鈷的同位素，它可以通過β衰變釋放出較強的能量和γ射線。實驗中采用的無色水晶也是其中含有少量鋁的石英晶體。

由此人們得知，煙晶之所以呈現出煙黃色或暗褐色，既與其內部結構有關，又與外界輻射有關。天然產出的煙晶應該是那些含有少量鋁的無色水晶，在地下遭受了放射性輻射之后形成的。當然，作為擺放在家里的寶石工藝品，經過檢驗的煙晶即使殘留有放射性，其能量也很小，是不足以危害到人體健康的。

水晶與玻璃

在《西游記》中，齊天大圣孫悟空多次勇闖龍宮。那龍宮是用奇珍異寶建造而成，裝飾有各種玉石和珊瑚，其中最吸引人的還是晶瑩剔透的水晶。它們將龍宮裝扮得極其富麗堂皇，因此，龍宮又叫“水晶宮”。現實中是否真的有這樣的水晶建筑呢？

我國南朝宋時期的歷史學家范曄所著《后漢書》中記載“大秦國宮室皆以水精為柱”。雖然不能與龍王的水晶宮相媲美，但根據那高大的水晶柱我們仍然可以想象得出秦宮的奢華。在玻璃尚未普遍使用的時候，水晶是皇家貴族才能用得起的珍貴飾品。唐朝李白有首反映宮女哀怨的詩，題為《玉階怨》，詩中寫道：“玉階生白露，夜久侵羅襪。卻下水精簾，玲瓏望秋月。”這其中的簾子即為水晶制成。

外表看起來，水晶和玻璃相似，但實際上二者差別很大。水晶是礦物晶體，內部質點排列有序，而玻璃是非晶體，內部質點排列無序。水晶的熱導性能很強，它能把熱量很快傳到別的地方，倘若把水晶握在手心里，手上的熱很快就傳到水晶的各處，我們會感到很涼，換成玻璃則會相對較溫暖。生活中我們經常會遇到這樣的事情，將滾燙的開水倒進冷玻璃杯中，杯子很容易炸裂，原因就在于玻璃導熱慢，內外溫度不均勻，導致熱脹冷縮也不均勻，從而炸裂，而水晶做成的杯子卻不會出現這樣的情況。

日本奈良的中宮寺，曾經發生過一件離奇的事情。這座寺廟中供奉著一尊高6米的觀音菩薩像，雕像是由一整棵檜木雕刻而成。1987年的一天，當一群虔誠的佛教徒正在菩薩像前燒香磕頭時，突然有人發現，菩薩像的雙眼竟然流出了淚水。經科學家實地考察后發現，原來制作這座雕像的木頭吸水能力很強，濕氣凝聚卻無法排出，而雕像的眼睛并非木頭，而是天然水晶，水晶導熱快，表面清涼，水汽碰到水晶易液化成水，一旦眼眶內儲水過多便會自動流出。

鑒別水晶和玻璃的簡單方法是：透過它們來觀察對面的事物，比如頭發絲，如果能看到頭發絲呈現出雙影，這就是水晶，否則就是玻璃，因為水晶對光線具有明顯的雙折射性。隨著現代化學工業的發展，人們制造出了性能特殊的水晶玻璃，這是一種只含有二氧化硅單一成分的特種玻璃，耐高溫、耐腐蝕，可作為國防工業、冶金、化工和建筑等行業的重要原材料。

險些成了潛艇克星

水晶因其特殊的美學價值常成為名貴的工藝品雕刻材料，但這只是水晶家族中的一個應用領域，水晶的工業價值遠不止如此。

在工業上，由于水晶硬度較大，莫氏硬度為7，僅次于金剛石（莫氏硬度為10）、剛玉（莫氏硬度為9）和黃玉（莫氏硬度為8），抗風化能力強，研磨之后的石英粉可以做成金屬拋光劑，常應用于研磨機、噴砂機中。

1880年，法國化學家皮埃爾?居里和雅克?居里兄弟倆發現了水晶的一個奇怪現象，當這種晶體某一方向上受到壓應力或者張應力的作用時，會導致垂直于應力的兩邊表面上產生正負相反的電荷，如果機械壓力一壓一張交替作用，就可以產生交變電場，這就是著名的“壓電效應”。

可是這種物理性質有什么用途呢？可別小看了它，在戰爭中水晶的壓電效應發揮過重要的作用。第一次世界大戰期間，屬于同盟國的德國使用了水下利器——潛艇，給協約國造成了重大打擊。如何準確發現并定位神出鬼沒的德國潛艇，成為一大難題。物理學家根據聲波可以在水中傳播很遠、衰減很小的特點，發明了一種回聲探測器，而回聲探測器中最重要的部分是換能器，它能夠將聲能與其他形式的能，如機械能、電能相互轉化，這必須要求具有很高的敏感度，材料的選取至關重要。法國著名物理學家保羅?朗之萬想到了居里兄弟發現的壓電效應，于是就找來一塊石英晶體做成換能器，經過試驗，成功地搜尋到了海底潛艇的回波。這項偉大的發明讓協約國欣喜若狂，為了制造回聲探測器，就連英國地質博物館的水晶展品都被搜羅一空，甚至水晶眼鏡商人也奉獻出了他們的存貨。不過，稍微讓人覺得有點遺憾的是，這項發明有點太晚了，還沒有來得及在戰爭中大顯身手，德國就已戰敗，第一次世界大戰就結束了。盡管如此，水晶壓電效應的發現和回聲探測器的發明對后來聲吶技術的發展起到了重要推動作用。

如今，水晶被廣泛用于制造高精度的壓電石英元件，比如諧振器、濾波器等，它們都是現代國防、電子工業中的重要部件；有些水晶可以用來制造石英折射計、光譜儀等高級光學儀器。

《石頭記》，馬志飛著，北京大學出版社2016年10月。