為何無法在單一化合物中結合週期表所有元素

湯姆·萊勒（Tom Lehrer）的歌曲《元素》（The Elements）開頭唱道：「有銻、砷、鋁、硒……」。自他譜寫這首歌以來，人類在自然界發現的92種元素之外，又創造出了幾種人造元素。如今已有118種元素，我們時常看到有人提出一個簡單卻深刻的問題：能否創造出一個包含所有元素的分子？

一開始，答案很無趣：就是簡單的「不行」。但為何不能的原因複雜多樣——有些源於化學結構，有些源於不穩定性，還涉及一些不容忽視的基礎物理知識。

與其探究為何無法合成，不如幻想一下，若能靠魔法合成它，看看它會多快分解。於是，從鿫到氫，我們夢寐以求的美麗全原子分子在眼前浮現。但在我們欣賞它之前，很可能會看到耀眼的光芒、熊熊火焰，還有不少有毒氣體。地上會有一些煤灰、鐵鏽和金屬。

這個分子分解的主要原因是，許多重元素不穩定。第118號元素鿫，半衰期只有0.7毫秒。第116號元素鉝，半衰期能超過前者10倍多，但仍短得難以被人類感知。這些分子很快就會分解，重元素衰變，還可能與更穩定的放射性元素引發連鎖反應。轟隆、閃光、嘶嘶作響……

既然魔法不存在，合成這個分子的好辦法就是從最小的組分開始。宇宙中最輕且最常見的元素是氫。它無處不在，還能與許多其他元素友好化合，是很好的起始選擇。接下來是氦。第二輕的氦是一種惰性氣體，這類元素不存在不穩定問題，無需形成分子化合物。

在某些條件下，比如在外太空，氦和其他惰性氣體確有可能成為化合物的一部分。幾年前，人們在極高壓力下製造出了一種穩定的氦化合物。

簡單來說，化學元素透過共享或交換電子形成化學鍵，使它們的電子軌道處於最穩定的構型。有些元素極易發生此類反應，非常活躍；而有些元素，如惰性氣體、金或鉑，則沒那麼活躍。

要是把所有穩定元素混合在一起呢？或者在高壓下將它們熔成一團，再讓其冷卻，可行嗎？很可惜，物理學所有假設實驗的終極難題——熱力學定律無法被打破。

宇宙中的系統傾向於達到平衡，並處於能量最低的狀態。無論你是想把元素簡單粘在一起，還是在特殊坩堝中熔化它們，熱力學定律都會勝出。更小、更簡單的化合物比複雜化合物更穩定，也更容易製造。

這並不意味著無法製造多樣且複雜的化合物。有一些天然存在的物質就是例子。比如維生素B12，它由碳、氫、氮、氧、鈷和磷六種不同元素組成。又如閃鋅礦，其基本的硫化鋅結構可以容納其他元素的雜質，鋅可被鎘、汞、錳、鎵、鍺和銦替代，硫可被硒和碲替代。

但含有六種不同元素的分子，或可能含有大量雜質的礦物，都不是我們想要的全原子分子。大自然似乎不希望我們成為完美主義者。