為什么粒子物理學(xué)家也對(duì)水下考古感興趣？

編譯 蔡立英

日常放射性物質(zhì)會(huì)產(chǎn)生放射性粒子是粒子物理學(xué)家面臨的主要障礙之一，解決方案是尋找低輻射物質(zhì)。古代沉船中有很多低背景輻射的鉛，而這正是粒子物理學(xué)家搜尋暗物質(zhì)的神器。與此同時(shí)，科學(xué)家也面臨道德困境：以科學(xué)的名義犧牲重要的文化遺產(chǎn)是否值得？

古代沉船上的稀世奇珍

2017年，英國(guó)倫敦大學(xué)學(xué)院的物理學(xué)家沙姆考爾?加格（Chamkaur Ghag）收到了一封電子郵件——西班牙一位同行給他提供了一個(gè)誘人職位。此前一年，美國(guó)普林斯頓大學(xué)的名譽(yù)教授弗蘭克?卡拉普賴斯（Frank Calaprice）獲悉，一艘400或500年前在新澤西海岸沉沒(méi)的古老西班牙船只上滿載著鉛?？ɡ召囁乖O(shè)法獲得了少量鉛樣品，并將其送往西班牙，在比利牛斯山脈中的一個(gè)地下實(shí)驗(yàn)室里，檢測(cè)其放射性。正如時(shí)任西班牙坎夫蘭克地下實(shí)驗(yàn)室主任阿爾多?蘭尼（Aldo Ianni）所期望的，鉛樣品的放射性很低?，F(xiàn)在，任何實(shí)驗(yàn)室只要愿意支付20歐元，就可以獲得1千克來(lái)自深海沉船的鉛，這還算是一個(gè)相對(duì)較高的價(jià)格。

全世界各地都在開(kāi)采和提煉鉛，但是這種在深海沉船上發(fā)現(xiàn)的已有數(shù)百年歷史的鉛，具有稀罕的特質(zhì)——這些鉛早于美利堅(jiān)合眾國(guó)誕生前就已沉沒(méi)在深海中，其天然放射性已經(jīng)衰減到無(wú)法再釋放出粒子的程度。對(duì)于粒子物理學(xué)家來(lái)說(shuō)，這一特質(zhì)使這些鉛具有特殊的價(jià)值。

“這些鉛的價(jià)值有點(diǎn)像是金子做的土?！奔痈翊蛄藗€(gè)比方。

別說(shuō)是钚這種眾所周知的放射性金屬元素了，就是日常生活中的大量物品，比如陶瓷、玻璃、金屬甚至香蕉，都具有不同程度的放射性。粒子物理實(shí)驗(yàn)中，如果這些物質(zhì)衰變時(shí)放射出的粒子撞擊探測(cè)器，可能給科學(xué)家?guī)?lái)假陽(yáng)性結(jié)果，從而阻礙科學(xué)發(fā)現(xiàn)。即使是由各種金屬建造而成的實(shí)驗(yàn)裝置本身，也具有較輕的放射性成分。

但是，我們只需少許鉛就可以使探測(cè)器免受各種粒子輻射的搗亂，而其中一種屏蔽“不速之客”的最佳方法，就是用本身幾乎沒(méi)有放射性的鉛把探測(cè)器包圍起來(lái)。這種鉛的最佳來(lái)源恰好是海底的沉船，其中一些沉船已經(jīng)被埋葬在沿海水域中長(zhǎng)達(dá)兩千年之久。

粒子物理實(shí)驗(yàn)試圖尋找宇宙最基本的組成部分，包括至今尚未被觀察到的暗物質(zhì)，其作用類(lèi)似于星系內(nèi)部和星系之間的黏合劑。盡管這種古老的鉛將幫助人類(lèi)揭開(kāi)宇宙的奧秘，但要獲得這種鉛，經(jīng)常會(huì)陷入現(xiàn)實(shí)和道德上的困境。

沉船中的鉛屬于一類(lèi)自身放射性很低的材料，稱(chēng)為“低背景輻射”材料。澳大利亞斯威本科技大學(xué)的天體物理學(xué)家艾倫?達(dá)菲（Alan Duffy）表示，關(guān)于低背景輻射材料還沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，但是根據(jù)一個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)背景輻射的敏感性，就能確定所需背景材料的放射水平。他說(shuō)：“如果你要建造一個(gè)蓋革計(jì)數(shù)器，就需要保證這個(gè)蓋革計(jì)數(shù)器不會(huì)將自身放射的粒子計(jì)算進(jìn)去。”

阻擋輻射的絕佳屏蔽物

以鋼鐵為例，鋼鐵是阻擋放射性粒子闖入實(shí)驗(yàn)裝置的極好屏蔽物。因此，美國(guó)伊利諾伊州研究粒子物理的加速器實(shí)驗(yàn)室——費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的歷史學(xué)家和檔案管理員瓦萊麗?希金斯（Valerie Higgins）透露，在過(guò)去幾十年中，使用了數(shù)噸特殊的鋼鐵作為實(shí)驗(yàn)裝置的屏蔽物。這些特殊的鋼鐵通常來(lái)自退役軍艦，其中許多軍艦在第二次世界大戰(zhàn)或朝鮮戰(zhàn)爭(zhēng)前后就已建造好或服役過(guò)，包括“阿斯托里亞號(hào)”（Astoria）、“羅阿諾克號(hào)”（Roanoke）、“黃蜂號(hào)”（Wasp）、“菲律賓海號(hào)”（Philippine Sea）和“巴爾的摩號(hào)”（Baltimore）等軍艦。

這些戰(zhàn)爭(zhēng)爆發(fā)的時(shí)間很重要。1945年7月16日凌晨5時(shí)29分，人類(lèi)有史以來(lái)第一顆原子彈在美國(guó)新墨西哥州約納達(dá)?德?tīng)?穆?tīng)柾校↗ornada del Muerto，西班牙語(yǔ)意為“死亡之旅”）沙漠爆炸。隨著原子能時(shí)代到來(lái)，隨后的每一顆核彈爆炸，都會(huì)向全世界釋放出更多的放射性沉降物。

達(dá)菲說(shuō)，冷戰(zhàn)時(shí)期煉制鋼鐵的冶煉熔爐中都吸入了含有放射性污染物的大氣。這導(dǎo)致生產(chǎn)出來(lái)的鋼鐵制品具有放射性，使其不適用于許多物理實(shí)驗(yàn)。

《全面禁止核試驗(yàn)條約》公布，意味著當(dāng)今世界上已較少有人為的放射性產(chǎn)生，即便如此，劑量很低的人為放射性仍足以讓鋼鐵制品吸入放射性粒子。低背景輻射的鋼鐵能在封閉的環(huán)境中制造，但通常成本很高。除此之外，低背景輻射鋼鐵的最佳來(lái)源是退役軍艦，并且建造時(shí)間要在“三位一體”核試驗(yàn)在新墨西哥州大地上造成玻璃狀疤痕之前（譯注：核爆炸的高溫把沙的硅質(zhì)晶體熔化后，再凝固形成玻璃狀結(jié)晶物質(zhì)）。來(lái)自退役軍艦的鋼鐵不僅具有極低的放射性，而且非常便宜。

盡管來(lái)自沉船的鋼鐵可以很好地用于各種粒子物理實(shí)驗(yàn)，但是在對(duì)暗物質(zhì)的搜尋中，鉛仍然發(fā)揮著首屈一指的作用。

搜尋暗物質(zhì)的神器

暗物質(zhì)在宇宙所有物質(zhì)中的占比達(dá)83%，就憑這一點(diǎn)，暗物質(zhì)顯然值得研究，但科學(xué)家直到現(xiàn)在都沒(méi)有探測(cè)到它。為了搜尋這種難以捉摸的物質(zhì)，科學(xué)家們建造了各種實(shí)驗(yàn)裝置，試圖直接探測(cè)到暗物質(zhì)，或者利用其他粒子的存在來(lái)證明暗物質(zhì)的存在。許多暗物質(zhì)探測(cè)裝置都建在地下深處，包括加拿大安大略省的薩德伯里中微子觀測(cè)站實(shí)驗(yàn)室（SNOLAB）正在規(guī)劃建造的SuperCDMS探測(cè)器，以及西班牙比利牛斯山脈坎夫蘭克地下實(shí)驗(yàn)室中正在運(yùn)行的一些探測(cè)器。之所以建在地下，是因?yàn)檫@樣能屏蔽地表輻射對(duì)探測(cè)器產(chǎn)生的干擾。

由于這些探測(cè)器特別敏感，需要屏蔽周?chē)铜h(huán)境中的粒子。每個(gè)暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)背景輻射的容限度不同。為了確定實(shí)驗(yàn)裝置的容限度，達(dá)菲說(shuō)：“你實(shí)質(zhì)上需要先建造一個(gè)基礎(chǔ)的探測(cè)器，來(lái)檢測(cè)一下哪種屏蔽輻射的材料是最好的?！?/p>

加格解釋說(shuō)，有時(shí)水箱或某種塑料就足以阻止像中子這樣的粒子意外撞擊探測(cè)器。但是，某些實(shí)驗(yàn)裝置要阻擋伽馬射線，就可能需要銅或鉛。

海底古老的鉛就是理想的材料，不僅因?yàn)槠洳环€(wěn)定的鉛同位素鉛-210經(jīng)過(guò)幾個(gè)世紀(jì)的大大衰減后，會(huì)形成穩(wěn)定的鉛-206，而且，海水還阻擋了宇宙射線（宇宙射線會(huì)促進(jìn)物質(zhì)的放射性）?？ɡ召囁箮椭O(shè)計(jì)過(guò)一些暗物質(zhì)探測(cè)實(shí)驗(yàn)裝置的部件，他正是因?yàn)樯钪@些鉛的非凡價(jià)值，所以當(dāng)他獲悉一艘在新澤西海岸沉沒(méi)的古老西班牙船只上發(fā)現(xiàn)鉛后，才會(huì)想方設(shè)法獲取鉛樣品。

雖然那艘西班牙沉船上的鉛還沒(méi)有被打撈上來(lái)，不過(guò)，這種發(fā)現(xiàn)品的售賣(mài)都有套路。加格解釋說(shuō)：“一些地下實(shí)驗(yàn)室時(shí)不時(shí)地會(huì)說(shuō)，‘嘿，這里有個(gè)機(jī)會(huì)能買(mǎi)到一堆古代的鉛，誰(shuí)想買(mǎi)？’”如果這些沉沒(méi)在海底的鉛能回收，而且各方都非常感興趣，那么，這些材料就會(huì)被拍賣(mài)。

在歐洲的內(nèi)海和周?chē)暮Ｓ颍捅尘拜椛涞你U經(jīng)常是從古羅馬時(shí)代的沉船中發(fā)現(xiàn)。這些鉛最初被鑄造成硬幣、建筑材料和戰(zhàn)爭(zhēng)武器，如今被打撈上來(lái)，而買(mǎi)家中就有粒子物理學(xué)家。

粒子物理學(xué)家的道德困境

一些考古學(xué)家已經(jīng)公開(kāi)質(zhì)疑，以科學(xué)的名義犧牲考古寶藏是否值得。例如，從2010年開(kāi)始，意大利的低溫地下罕見(jiàn)事件天文觀測(cè)臺(tái)（CUORE）就獲得了數(shù)百個(gè)鉛錠用于實(shí)驗(yàn)，希望解決長(zhǎng)期以來(lái)困擾科學(xué)家的難題——為什么是物質(zhì)而不是反物質(zhì)在宇宙中占據(jù)主導(dǎo)地位。這些鉛錠來(lái)自撒丁島沿海的一艘古羅馬沉船，該船只大約在2000年前沉沒(méi)，具有極高的考古學(xué)價(jià)值。沉船上的每一個(gè)鉛錠都鐫刻著能夠揭露其生產(chǎn)歷史的戳記。盡管從沉船上獲取的1 000個(gè)鉛錠中，大多數(shù)都完好無(wú)損，可以送到卡利亞里國(guó)家考古博物館進(jìn)行研究，但其中的270個(gè)鉛錠被融化了，用于物理實(shí)驗(yàn)。

2013年，當(dāng)時(shí)是英國(guó)伯明翰大學(xué)考古學(xué)研究生的埃琳娜?佩雷斯-阿爾瓦羅（Elena Perez-Alvaro）注意到了這個(gè)道德困境。所有富含低背景輻射材料的古老水下沉船都會(huì)面臨這個(gè)困境，其中許多沉船都封存了人類(lèi)歷史。聯(lián)合國(guó)教科文組織于2001年通過(guò)了《水下文化遺產(chǎn)保護(hù)公約》（Convention on the Protection of the Underwater Cultural Heritage），旨在防止這些水下沉船殘骸中的遺留物被清理干凈。但是，正如佩雷斯-阿爾瓦羅所指出的那樣，該公約存在一個(gè)盲點(diǎn)：盡管該公約要求保護(hù)沉船中的文化遺產(chǎn)免遭商業(yè)開(kāi)發(fā)，但并沒(méi)有說(shuō)明是否可以將其打撈上來(lái)用于科學(xué)研究。

2015年，在與日立劍橋?qū)嶒?yàn)室的費(fèi)爾南多?岡薩雷斯-薩爾瓦（Fernando Gonzalez-Zalba）合著的一篇論文中，佩雷斯-阿爾瓦羅得出結(jié)論，現(xiàn)在還沒(méi)有任何商業(yè)技術(shù)可以生產(chǎn)出科學(xué)家開(kāi)展暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)研究所需的低背景輻射特質(zhì)的鉛。因此，在研究人員看來(lái)，打撈這些古老的鉛是值得的，但應(yīng)根據(jù)具體情況仔細(xì)分析這些物理學(xué)家的需求，以確定物理學(xué)家是否真的需要鉛而不是塑料或鋼。

“我們必須確立水下文化遺產(chǎn)保護(hù)的規(guī)則，我們必須堅(jiān)守底線，”如今已是合法文化遺產(chǎn)公司（Licit Cultural Heritage）總經(jīng)理的佩雷斯-阿爾瓦羅強(qiáng)調(diào)，“沉船上的文物并不是人們可以隨意挖掘的廢銅爛鐵?！辈贿^(guò)，岡薩雷斯-薩爾瓦指出，到目前為止，還沒(méi)有任何一家有能力制定和實(shí)施這樣的保護(hù)規(guī)則的機(jī)構(gòu)擔(dān)負(fù)起這項(xiàng)使命。

即使確實(shí)出現(xiàn)了這樣一個(gè)建議性的規(guī)則框架，規(guī)定了如何獲取和使用古代鉛和其他低背景輻射材料，也未必就能對(duì)沉船遺留物的打撈起到規(guī)范作用。

近年來(lái)，在馬來(lái)西亞、印度尼西亞和新加坡沿海地區(qū)，第二次世界大戰(zhàn)時(shí)期的軍艦殘骸逐漸消失了。這些軍艦中許多都是戰(zhàn)爭(zhēng)墳?zāi)?，里面甚至還有數(shù)百具人類(lèi)的遺骸。這些軍艦被打撈人員非法拆解，其中一些打撈人員可能一直在尋找低背景輻射的鋼。盡管買(mǎi)家可能不想使用這些非法來(lái)源的低背景輻射材料，但是當(dāng)他們收到這些材料時(shí)，他們可能也無(wú)法確定其出處了。

盡管從道德上來(lái)說(shuō)，沒(méi)有任何地方像被洗劫過(guò)的戰(zhàn)爭(zhēng)墳?zāi)惯@樣令人厭惡，但是，來(lái)自具有文化遺產(chǎn)價(jià)值的古老沉船的鉛，其來(lái)源也可能像來(lái)自沉船的鋼一樣，被類(lèi)似地模糊過(guò)去了。“我猜，我們通常不會(huì)太在意材料的來(lái)源，不會(huì)在意到去確認(rèn)其出處，”加格說(shuō)，“人性就是這樣，我們更關(guān)心的是材料的成本?！?/p>

岡薩雷斯-薩爾瓦解釋說(shuō)，羅馬帝國(guó)每年生產(chǎn)約8.8萬(wàn)噸鉛，而很多物理實(shí)驗(yàn)只需要其中一小部分。他說(shuō)，對(duì)于低背景輻射材料的回收利用所面臨的道德困境，科學(xué)家們的相關(guān)意識(shí)和敏感性也正在增強(qiáng)。

達(dá)菲說(shuō)，粒子物理學(xué)家在考慮所獲得的材料的來(lái)源時(shí)，應(yīng)該首先想到這些材料是文化遺產(chǎn)。但是，他強(qiáng)調(diào)說(shuō)，低背景輻射材料被“確定地”視為一種寶貴資源，并不會(huì)被隨意濫用。

岡薩雷斯-薩爾瓦懷疑，真正的危險(xiǎn)來(lái)自蓬勃發(fā)展的微電子行業(yè)。每臺(tái)計(jì)算機(jī)和智能手機(jī)中的微型芯片，通常都需要低背景輻射的鉛構(gòu)成的組件。他指出，盡管該行業(yè)可以使用新生產(chǎn)的鉛，但制造商通常會(huì)選擇古老的鉛，因?yàn)槌杀颈阋艘粋€(gè)數(shù)量級(jí)?！斑@種應(yīng)用才是最讓我擔(dān)憂的，因?yàn)樗且环N商業(yè)性的設(shè)備。”岡薩雷斯-薩爾瓦說(shuō)。

但是，經(jīng)過(guò)深思熟慮，粒子物理學(xué)家能在道德與實(shí)驗(yàn)之間達(dá)到平衡。直到發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)的那一刻之前，搜尋神秘的暗物質(zhì)可能就像是希臘神話中的西西弗斯永無(wú)休止地滾石上山一樣，是一個(gè)永遠(yuǎn)不會(huì)完結(jié)的任務(wù)。但是，如果我們真的發(fā)現(xiàn)了暗物質(zhì)，這個(gè)發(fā)現(xiàn)將革命性地改變我們的未來(lái)。所以，很難想象會(huì)有很多人爭(zhēng)辯說(shuō)，犧牲一小部分的歷史去追尋暗物質(zhì)是不值得的。