孙亚飞，青年科普作家，从事科学传播及新能源领域的研究与产业化工作。高中参加化学竞赛保送进入北京大学化学学院，后于清华大学化学系获得博士学位。2010年开始从事科普工作，2012年加入科学松鼠会。在得到平台开通的课程《化学通识30讲》广受好评，同时在知乎、果壳、丁香医生、《博物》杂志等媒体平台发表《你好，门捷列夫》《读懂食品安全》各类作品逾百万字，已出版著作《元素与人类文明》《原子王国历险记》及译作《诗意的原子》（“文津图书奖”推荐书目）等。

化学元素究竟会在多大程度上左右着人类文明的走向？卖灯具的摊位上，LED灯仿佛一夜之间取代了普通的钨丝灯泡，出现在最显眼的位置；岩画创作者也许从不了解岩石内部的硅结构，可凿刻于石头上的画作却跨越了时空，成为如今研究文明发展过程的证据。不管人类是否已经意识到化学元素的存在，文明却一直都在这些元素的背景板上延伸。时空变幻，唯有化学元素保持了定力，记录下那些人类文明的精彩瞬间。

《元素与人类文明》是以五种重要的化学元素金、铜、硅、碳、钛为主线，在确保科学性的前提下，将这些元素与人类文明的关联展现出来，让喜爱历史、探险类的读者在精彩的故事中了解元素对人类文明所产生的不可替代的影响，激起读者的阅读兴趣。化学元素并不是一个个冷冰冰的符号，它们所参与的化学反应，也不是只在实验室发生。事实上，任何一个化学元素背后，都有着非常浓烈的人文味道。每一个元素都是独一无二的，它们有着不同的光谱，反射出人类文明的不同面。正是化学元素的变迁，向宇宙证明：我们曾来过。

《元素与人类文明》生动地截取了文明时期的一些瞬间或实物，小到散落在路边的古老岩画，大到国际知名的潜艇、大剧院，从化学元素的视角去认识它们，是一种颇有意趣的解读。把人类文明这个空泛的概念浓缩到一个个具体的事件中，能够更直观地看到不同化学元素扮演的角色。

——清华大学化学系讲席教授 危岩

第三章

第二节

砖瓷镌刻的记忆

在宁夏欣赏过更为成熟的贺兰山岩画之后，我们一路东行，驶向黄土高坡。

一路上不时有路标指引着“明长城遗址”，毫无疑问，我们正走在明朝的国界线上，当时正是元（北元）明对峙时期，出于边疆安全的考虑，在汉朝兴修长城后一千余年，明 朝政权再次大规模修起了长城。

“长城是月球上能看到的唯一建筑。”令人昏昏欲睡的 下午，我随口找了个话题，试图活跃一下大脑皮层。

“这不是小学课本上就有的嘛。”我的顾问显然对此话题毫无兴趣。

“但这是谣言。”

“哦。”

但提到长城，我已经有了些许小激动，困意也顿时散去。

虽然这个流传甚广的说法已被证明不是事实，中国第一位“上天”的宇航员杨利伟也亲口否认了可以从太空中肉眼俯瞰长城，但无可争议的一点是，长城是从古至今人类最伟大的建筑之一。

一路来到陕西榆林的镇北台，不期而至的大雨挽留了我们，盛意难却，我们也就停下脚步，欣赏了这座要塞。镇北台号称“万里长城第一台”，名气虽不如最东头的山海关，也不比最西边的嘉峪关，但雄伟程度却丝毫不逊色。高台之上，塞北风情一览无余，很显然，明朝的边塞将士们就是在这里密切注视着北方的敌人。

高台南侧便是榆林城，老城的破壁残垣雄姿犹存，墙内巷道纵横，朱檐黛瓦，而墙外则是声声吆喝，阵阵麦香。紧贴着城墙，草丛已长得半人高，隐约可以看到有人沿着草间 的小道散步。虽是年久失修，却也看得出来，当年这城墙少说也有十米之高。作为黄土高原上的重要边塞城镇，历史上也是战事不断，直到七十年前的那场内战，这里也依旧未能幸免，如今在城南的凌霄塔上，还留着当年纷争时的枪眼。

用砖块垒起高墙，是我们最为经典的防御性武器，万里长城，还有古代城墙，无一不是为了抵挡外敌入侵。就算是我们自己的小家，也会修起砖墙，抵御风吹雨打，提防小偷光顾。

方方正正的砖块，成了我们的又一个记忆，数千年来文明的交锋，构筑成一道道墙体，也像大地上的一道道裂痕，无言地诉说着历史。

砖块也是硅酸盐，只是比岩石和沙土多了些人类的加工，但就是这点加工，使它得以脱颖而出，成为建造城墙的最佳材料。

世界上现存的古代大型建筑中，尚有不少石工代表作，比方说埃及的金字塔。即便到了距今只有几百年的明朝，石料的使用也是相当普遍，例如紫禁城里的石阶与石壁。但同时期的城墙，却几乎都是用砖块堆砌。最为直观的一点原因在于，窑厂可以迅速烧制出大量标准尺寸的条砖，但要想切削出同样规格的石块，耗费的人力就不可同日而语了。更休提，石料作为一种资源，平原与草原地区少有分布，但烧砖所用的黏土，却很容易获得，这无疑也降低了运输成本。

实际上，砖可以看作是陶的变种，或者说就是陶器的一类。考虑到陶器的使用要早于青铜器，那么可以确定地说，陶是人类史上第一种利用化学反应获得的新材料。尽管与石器的成分类似，但它却彻底改变了人类的生活——原因很简单，陶器可以轻松烧制成坛子，石器却连一只碗都很难加工成型。

在人类学会用火之后，因为无意间加热黏土，最后得到烧结之后的硬质陶块，这显然并不需要太多巧合的因素。

黏土是一些富含有机质的硅酸盐，岩石颗粒通常比较小，而有机质相当于胶黏剂，让它们不至于成为一盘散沙。给黏土浇上一点水，它们就可以跟橡皮泥一样，随意被捏成各种 形状；再用火灼烧时，仿佛是出于一种本能，这些黏土便被定型，就算再给它们泼水，也不会重新恢复成橡皮泥一样的黏土。看起来虽是波澜不惊，但在微观尺寸上这却是一段激烈的变化。

当黏土在被灼烧时，首先感受到热烈气氛的是水，它们很容易变为水蒸气，但由于硅酸盐复杂的网络结构，这个过程会持续很长时间。水分子跳跃着离开，同时也拽走了不少低沸点的有机物，而在它们挥发的时候，固体的组分也靠得更紧些了。

温度逐渐升高，包括油脂、石蜡在内的高沸点有机物也渐渐受不了热浪的洗礼，纷纷开始逃离，而一些来不及跑的，则开始分解、碳化或者被明火点燃，总之变得面目全非，当温度超过400℃时，这些黏土中的有机质与水就已消失殆尽，从而在空间网络中留下很多空隙。

就像我们前面曾说过的，硅酸盐体系不会拒绝替补队员，如果这些替补队员是过渡元素，在更高的温度下就开始展示自己的独特技能了。比方说硅酸盐中的常客铁元素，它有两种常见的氧化态，一种是红色的三价铁，另一种是绿色的二价铁。如果黏土中含有大量铁元素，那么在氧化型火焰中，就会形成红色，而在还原型火焰中，结果则是绿色—红砖与青砖便是这么烧制而成，而史前文明中的各种彩陶，其实也都是各种过渡金属的杰作。至于氧化焰与还原焰如何控 制，主要就取决于通入空气的比例了。

不过，真正有决定意义的还是硅元素引领的转化。因为硅酸盐混有很多杂质，并且空间网络结构也不够规整，所以 实际上并没有准确的熔点，而是在很宽的温度范围内发生软 化，直到完全液化。黏土块整体软化的温度很高，通常要高于1200 ℃，但在800 ℃附近，就有一些局部网络开始松弛， 通常越尖锐的部分也越容易屈服。因此，在这个温度下进行灼烧，黏土捏成的器皿或砖块，外型不会坍塌，但颗粒之间的网络却持续发生着解构与重构，小砂砾的界面逐渐弱化并开始融合，形成更大的网络结构。陶，就这么诞生了——人类重新发明了“石器”。

当然，陶与岩石还是有着很大差异，最明显的一点就是疏松的网络结构，这也就能说明为什么砖块比石头更容易吸水。这算不上是优点，因为强度会受到很大影响，无论是陶器还是砖块，摔到地上都很容易碎裂。不过对于工匠们来说，这也就意味着同样大小的砖块更轻，搬运与垒墙的工作也省力了不少。

明代的制砖工业异常发达，一方面是这项技艺发展数千年已经相当成熟，另一方面当然也是因为北方有个强大的敌人，边防不敢懈怠。

不过，人工改良的硅酸盐并不只是割裂了民族间的交流，事实上，它们很多时候也是民族间交流的纽带，而这个纽带便是升级版的陶器——瓷器。

瓷器是中国人的一大骄傲，甚至连英语中“中国”与“瓷器”都用了同一个单词（china），可见中国瓷器的影响力。但西方人也许并不知道，中国古代的瓷器其实还分着三六九 等，最上等的官窑（御窑），那是给皇家揽瓷器活儿的，别说在他们国家惜若珍宝，就是在中国本土，普通百姓也是难得一见。不仅如此，官窑里还有个规矩，失手打破的瓷器， 碎瓷片还要就地掩埋，生怕它们流入民间。如今，在瓷都景德镇的地下，就埋藏着六百多年来形式各异的瓷片，虽支离破碎，却完整地见证了元、明、清三代这里作为官窑的繁华与变迁。

不过，对官窑的严格管控并没有阻止民窑的发展，有的时候，一些民窑的瓷器作品水准甚至还会超过官窑。在众多民窑当中，最富传奇色彩的莫过于位于浙江的龙泉窑，它也被认为是中国流传时期最久、窑口分布最广的瓷窑，而历史上风格独特的“龙泉哥窑”至今仍众说纷纭。在明朝初期， 龙泉窑一度与景德镇官窑并驾齐驱，只是后来由于诸多因素而衰落，令人不甚惋惜。如今，龙泉窑的瓷器仍然是古董收藏家们追逐的珍宝，但在考古学家的眼中，它们更是记忆了一段了不起的历史。

 2005 年，正逢郑和下西洋600周年，一场声势浩大的纪念活动在江苏太仓展开。活动中，有几张来自东非肯尼亚的面孔吸引了众人关注，这其中有一位是马林迪市（Malindi） 的市长。马林迪是肯尼亚的一座港口城市，1497年，葡萄牙航海家达·伽马（Vasco Da Gama）第一次绕过好望角在这里登陆，使其成为东西方海上贸易的一座中转港口。然而，郑和带领船队驶入这座港口的时间却早了近一百年，甚至有文献记载，早在 9 世纪就已有中国的商船来到此处。600 年后，郑和的船队早已作古，但他的威名却依然流传在印度洋畔，肯尼亚使者们此次到访，也正式邀请了中方前去马林迪 进行考古，探访郑和曾经留下的足迹。

经过数年漫长的准备工作，这场跨国考古活动直到 2010 年才正式成行，北京大学考古文博学院的一支考古队前往肯尼亚海滨。

在马林迪市郊一处叫曼布鲁伊（Mambrui）的村落，考古队发掘了近两个月，寻找到大量从中国来的遗物，而龙泉窑的明代瓷器是其中的主角。有意思的是，由于肯尼亚本国 历史资料的缺失，当地考古学家对于同时出土的本地陶器无法断代，而这些中国瓷器却很容易通过工艺与风格的特征判断年代，因此成了当地考古研究的重要依据。毫无疑问，这些当时在中国都称得上精品的瓷器，漂洋过海上万里，承载的正是当时人们对于文化交流与贸易的渴望，它们是串联东西方文化的使者；直到沉睡了数百年之后，就在这些瓷器重见天日之时，它们又成了沟通古今的使者。而在肯尼亚出土的这数千块瓷片，不过是千余年来海上贸易的一个缩影。

在陶器技术发展到一定阶段时，催生出瓷器技术几乎是水到渠成的事情。即便从今天的技术眼光看，陶与瓷之间也没有明显的界限，都是以黏土作为主要原料。那么，瓷器究竟是因为什么原因才脱颖而出的呢？

我们前面提到，硅酸盐是一类包容性很强的材料。在地壳中，丰度紧随氧硅的就是铝和铁，所以硅酸盐也会有极高的概率混入铝或铁。铁元素会带来色彩，而铝元素不会，所以黏土中铁含量的不同，自然也会让陶器的颜色有所差别。古代人在长期烧陶过程中，逐渐开始追求艺术性，对颜色有了偏好，而素色的白陶受到不少追捧，这就需要含铁量很低的原料才能够实现。最晚到殷商时期，中国的先民已经知道了如何去寻找这些白陶的原料——高岭土。

高岭土的化学成分通常比较纯净，几乎只含有硅、铝、 氧三种元素，在没有水分时，通常是滑腻的细粉状。相传，高岭土这个名称来自于景德镇附近的高岭山；而在英文中， 高岭土被称为 kaolin，是一个源于汉语的音译词汇，这也从侧面说明中国人对于高岭土的开发要早于欧洲国家。不过这 也难怪，毕竟中国的高岭土储量居于世界首位，客观上中国人发现并使用高岭土也会容易很多。

挑选高岭土烧制白陶，瓷器的发明就已经成功了一半， 此时的窑温大约还只有1000 ℃。随着窑体施工技术的提升，保温措施越来越好，木炭质量也有所进步，因此窑温也有所提升。而当窑温达到1200℃时，就发生了质变—陶器中的孔隙开始坍缩，原有的疏松硅酸盐结构开始变得致密，表面也因此变得更平滑从而出现了光泽。实际上，这个过程 是因为临近硅酸盐的熔点，更多的棱角开始软化甚至熔化，才有了上述外观的变化。而且，不仅外观更为好看，连声音都变得好听了，原本的陶器摔落到地上只不过是沉闷的破碎声，如今却是有如玉碎般清脆。早期的瓷器便是这么个发明 过程，于是高岭土又有了新的名称：瓷土。

看起来，这不过是温度的一点进步而已，但如果选用的 黏土含铁量很高，由此烧制的瓷器就容易变形，所以说，对白陶的追求是从陶器进化到瓷器的重要环节。不过，正如我们已经知道的，铝元素不会产生颜色，高岭土烧出来的瓷器也只能是白瓷，虽然很美，却会让人审美疲劳，如果想要点颜色看看，又该如何是好？

这当然难不住那些能工巧匠。经过数百年的实践，青瓷逐渐发展起来，后来流行了近两千年，龙泉窑便是以烧制青瓷而闻名，直至今日，每当围坐到香茗桌旁，茶客们依然会 对青瓷情有独钟。所谓青瓷，其实就是因为原料中含有少量的铁，在还原焰的作用下，最后当然就是青色了。“雨过天青云破处，这般颜色做将来”，无论是帝王将相还是文人墨客，典雅的青瓷都成为一种精神的寄托。

然而这还只是瓷器艺术的开端。

唐朝时期，陶器艺术出现了一次巨大飞跃，出现了一种多彩的釉陶，史称“唐三彩”。这种技艺好比将陶器当成了画布，以彩釉作为油墨，整个烧制过程如同绘画一般，由此出炉的陶马、仕女，均具有层次鲜明、色彩艳丽的形象，堪 称一绝。这些彩釉往往是一些无机金属氧化物，因为元素种类与比例的不同，呈现出不同的色彩，例如钴的蓝色、锑的黄色，还有锰的紫色。在火焰灼烧之下，这些氧化物与硅酸盐融合，由此反射出多变的光泽。

这一上釉的技艺很快便成为瓷器工匠们的绝活。在提高温度之后，不仅瓷釉的质地变得紧密，颜色变化也更为丰富，因此在艺术异常发达的北宋时期，瓷器迎来发展的高峰，也就不足为奇了。青白色的瓷釉，居然可以再烧出红釉来，这让工匠们颇为兴奋，而“夕阳紫翠忽成岚”这句诗，便是盛赞宋代钧瓷所作。这样的色彩转化着实令人赞叹不已，如果没有化学知识，大概只会感叹上苍的造化，但这其实是铜盐在高温下转化为红色亚铜盐的杰作。

与此同时，利用瓷釉热胀冷缩率要高于胎体的原理，调整不同瓷土的配方，控制降温的条件，又出现了“开片”的技法，最终的器皿表面呈现出不规则的冰裂纹，煞是好看。当然，决定开片形状大小以及图案的，还是原子之间的作用力，只不过这些秘密在当时并不为工匠们所知，他们完全依 靠经验“打造”出了精美的裂纹。然而在此过程中，曾有过多少失败品，就只有深埋地下的那些碎瓷片才知道。

如今，虽然受到塑料制品的冲击，陶瓷制品正在退居二线，但陶瓷加工技术却没有停滞不前，反而随着时代突飞猛进。曾经，我们只能用双手捏出陶器的形状，如今却可以用 3D 打印技术（详见《钛平盛世》一章）去抒发灵感；曾经，我们只能用彩釉去勾勒青花，如今却可以借助激光去雕刻心情；曾经，我们只能寻找上等的高岭土，如今却可以加入牛骨粉烧制出绝美的骨瓷餐具……

砖瓦陶瓷的记忆，虽然古老，却从未远去。如果说岩画 这种艺术记载的是人类初生之时与自然的关系，那么长城与 瓷器，记载的就是智人这一物种内部的关系—有敌对，也 有贸易，但归根到底，这都是因为我们揣着一颗不安分的心， 总要去探索一片更大的世界。我们一直走在探索的路上，而硅元素总是悄无声息地帮我们记下了这些足迹。

第一章  炼金之路

第一节  黄金的诱惑与太平洋的浪涛

第二节  黄金的荣耀与黄金国的覆灭

第三节  黄金的转化与哲人石的传说

第四节  黄金的秉性与现代化的光环

第二章  青铜时代

第一节  礼仪之邦

第二节  修我甲兵

第三节  天工开物

第四节  利来利往

第三章  硅的记忆

第一节  岩石凿刻的记忆

第二节  砖瓷镌刻的记忆

第三节  玻璃印刻的记忆

第四节  信息雕刻的记忆

第四章  高碳生活

第一节  衣

第二节  食

第三节  住

第四节  行

第五章  钛平盛世

第一节  上九天

第二节  下五洋

第三节  承千钧

第四节  延万年

第六章  元素和弦

序曲

第一乐章 谜题

第二乐章 群星

第三乐章 长河

第四乐章 现代

尾声

《元素和弦》演职人员表

后记

参考资料