用μ介子探測(cè)地球

吳青

到2016年10月13日，意大利科學(xué)家塔尤比已經(jīng)知道自己主導(dǎo)的“掃描金字塔”項(xiàng)目方向正確。那一天，他與自己的團(tuán)隊(duì)和一個(gè)埃及學(xué)團(tuán)隊(duì)會(huì)晤，他的團(tuán)隊(duì)向后者介紹了他們?cè)诤蚪鹱炙ㄒ卜Q吉薩大金字塔）的北表面發(fā)現(xiàn)的一個(gè)之前未知的洞室。雖然當(dāng)時(shí)“掃描金字塔”項(xiàng)目才開(kāi)展了短短12個(gè)月，但已經(jīng)獲得了一些有希望的結(jié)果。

2017年，塔尤比團(tuán)隊(duì)又在有4500年歷史的胡夫金字塔內(nèi)部發(fā)現(xiàn)一個(gè)巨大的洞室。雖然無(wú)法定位這個(gè)洞室的確切位置，但塔尤比團(tuán)隊(duì)能肯定它的長(zhǎng)度大約為30米，而且它位于大畫廊上方。大畫廊是連接王后墓室與胡夫法老墓室的走廊，其墻壁上有大量壁畫，胡夫墓室里有他的石棺。事實(shí)上，自從19世紀(jì)以來(lái).這是首次在這座金字塔內(nèi)發(fā)現(xiàn)一個(gè)此前未知的大型建筑結(jié)構(gòu)。

μ介子被用于金字塔的內(nèi)部成像

雖然不清楚這個(gè)結(jié)構(gòu)是水平方向的還是傾斜的，也不知道它是一個(gè)完整的結(jié)構(gòu)還是由多個(gè)結(jié)構(gòu)串接而成，但塔尤比能肯定的是，沒(méi)有任何記載或理論提到該結(jié)構(gòu)的存在。更引人注目的是，前述兩大發(fā)現(xiàn)都是在完全不傷及胡夫金字塔的情況下取得的。塔尤比團(tuán)隊(duì)沒(méi)有對(duì)這座金字塔的任何部位進(jìn)行鉆探、開(kāi)啟或拆除，就看穿了這座高達(dá)140米的巨型石塔，并且在其中辨認(rèn)出了之前任何人都不知其存在的洞室。塔尤比團(tuán)隊(duì)之所以能獲得這一驚人成績(jī)，是因?yàn)樗麄兘柚甩探樽訑鄬訑z影術(shù)（也稱μ介子探測(cè)術(shù)），該技術(shù)讓科學(xué)家能夠無(wú)侵入性探索之前多半需要依賴侵入性手段才能探索的秘密。

μ介子斷層攝影術(shù)有點(diǎn)像把太空探索反過(guò)來(lái)進(jìn)行。μ介子斷層攝影術(shù)不是采用在地面建造的設(shè)備來(lái)探測(cè)太空，而是依賴在太空產(chǎn)生的宇宙射線來(lái)探索地球上的事物。宇宙射線是在太空以近光速穿行的高能粒子，它們由太陽(yáng)、太陽(yáng)系外的超新星（恒星死亡時(shí)的爆發(fā)）甚至宇宙大爆炸產(chǎn)生。它們一直不停地穿行于每個(gè)方向，因此有很多這樣的高能粒子經(jīng)常與地球大氣層中的氧分子和氮分子碰撞，由此產(chǎn)生一系列其他粒子。這些粒子中的大多數(shù)在地球大氣層中被阻滯，但另一些長(zhǎng)驅(qū)直入到達(dá)地面，它們通常是μ介子。

μ介子是像電子一樣的基本粒子，但μ介子比電子重200倍。這么重，再加上穿行速度極快，讓?duì)探樽颖绕渌愋偷妮椛洌ɡ鏧射線和伽馬射線）更能穿透厚密物質(zhì)。與X射線和伽馬射線不同的是，μ介子不會(huì)傷及被它們穿透的物體。

μ介子不但能穿透數(shù)十米厚的混凝土，而且能穿透人體，但不會(huì)對(duì)人體造成傷害。在地球上μ介子無(wú)處不在，可以說(shuō)它們構(gòu)成了自然環(huán)境的一部分。簡(jiǎn)言之，要想窺探根本去不了的物體（例如密封的墓室、考古遺址中的胎洞穴咸火山內(nèi)部通道）內(nèi)部，μ介子就再合適不過(guò)了。為此，需要捕捉穿透這些物體的μ介子，利用它們來(lái)創(chuàng)制這些物體的內(nèi)部圖像。

μ介子探測(cè)到了金字塔中的密室（示意圖）

科學(xué)家把μ介子探測(cè)流程比作照X光。如果—個(gè)物體（比如你的手臂）位于X射線的源頭和相機(jī)之間，你的手臂就會(huì)吸收一些通過(guò)它的X射線。皮膚、肌肉、血管和骨骼的不同密度，決定著到達(dá)相機(jī)的X射線數(shù)量。物質(zhì)密度越高，吸收的X射線越多。因此，我們?cè)赬光儀器中看到的是不同部位的陰影，陰影顏色越淺表明該部位密度越高，因此能區(qū)分不同的部位。μ介子斷層攝影術(shù)的原理與此相仿，所以可以采用這種技術(shù)來(lái)探測(cè)物體（比如維蘇威火山）。

與X光機(jī)不同的是，μ介子斷層攝影儀利用的不是X射線，而是μ介子。μ介子從地球周圍所有方向來(lái)到地球，但科學(xué)家感興趣的是在接近水平方向到來(lái)的μ介子，因?yàn)樗鼈兡艽┩富鹕?。一路穿透維蘇威火山的μ介子會(huì)在這座火山背后產(chǎn)生一種陰影。把多部μ介子探測(cè)器放置在陰影區(qū)，科學(xué)家就能采集到陰影圖像，通過(guò)研究圖像中反映的物質(zhì)密度差異來(lái)辨別火山內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。

然而，借助μ介子研究像火山這么大的物體需要耐性，因?yàn)椴粌Hμ介子極小，而且每秒通過(guò)1平方米面積的μ介子只有大約100個(gè)。因此，盡管μ介子無(wú)時(shí)無(wú)刻不在“轟炸”地球，采集足夠的μ介子以探測(cè)像維蘇威火山這樣大規(guī)模的物體卻很花時(shí)間。畢竟，μ介子流的強(qiáng)度弱，而且通過(guò)火山的大部分μ介子都被火山吸收，所以采集μ介子的過(guò)程歷時(shí)數(shù)月之久。

科學(xué)家在金字塔前方部署μ介子探測(cè)器

科學(xué)家在金字塔前方部署μ介子探測(cè)器

一旦獲得陰影圖像，就能用它預(yù)測(cè)火山爆發(fā)嗎？不能。但透過(guò)μ介子圖像能了解火山內(nèi)部通道結(jié)構(gòu)與爆發(fā)類型之間的關(guān)系。尤其是，如果維蘇威火山再度爆發(fā)，那么什么條件會(huì)造成火山灰云和火山灰流？火山灰云會(huì)阻礙飛機(jī)和壓塌房頂;火山灰流是由巖石碎片和氣體組成、快速移動(dòng)和超熱的混合物，能焚毀其所經(jīng)過(guò)路徑上的一切物體。結(jié)合μ介子探測(cè)信息和地震學(xué)及氣象學(xué)數(shù)據(jù)，當(dāng)探察到火山即將爆發(fā)的比較明確的跡象時(shí)，有助于警示人們及時(shí)撤離。

μ介于探測(cè)目標(biāo)之一——維蘇威火山

埃契亞山下面從凝灰?guī)r中掘出的這個(gè)洞穴，曾被用作防空洞和警方扣押車輛存放地

最近在成像技術(shù)方面的進(jìn)展，讓?duì)探樽訑鄬訑z影術(shù)的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣（請(qǐng)參見(jiàn)相關(guān)鏈接：《μ介子的其他用途》）。但μ介子斷層攝影術(shù)并非新事物。μ介子于1936年被發(fā)現(xiàn)。1955年，一名工程師運(yùn)用μ介子斷層攝影術(shù)來(lái)調(diào)查一個(gè)礦區(qū)上空的物質(zhì)數(shù)量。20世紀(jì)60年代末，美國(guó)著名物理學(xué)家阿爾瓦雷茲運(yùn)用μ介子斷層攝影儀來(lái)尋找埃及金字塔內(nèi)部暗藏的密室。從他當(dāng)時(shí)撰寫的論文來(lái)看，他對(duì)金字塔的測(cè)量結(jié)果完全正確，而且他的測(cè)量手法非常巧妙。雖然他沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何密室，但那僅僅是因?yàn)樗麤](méi)找對(duì)地方。

阿爾瓦雷茲當(dāng)時(shí)探索的是海夫拉金字塔。如果他當(dāng)時(shí)把μ介子探測(cè)器對(duì)準(zhǔn)這座金字塔隔壁的胡夫金字塔，那么他完全有可能領(lǐng)先“掃描金字塔”項(xiàng)目近50年，發(fā)現(xiàn)后一座金字塔內(nèi)部的密室。

不難理解的是，μ介子探測(cè)器正出現(xiàn)在越來(lái)越多的考古遺址。隨著μ介子成像的解析度越來(lái)越高，研制出的μ介子探測(cè)器也越來(lái)越便攜和越來(lái)越便宜，μ介子斷層攝影術(shù)正在拓展我們的視野，尤其是讓我們能夠一窺之前不打開(kāi)就根本看不見(jiàn)的東西或地方。

這樣的地方還真不少。例如意大利的埃契亞山——一個(gè)延伸到那波利灣、高60米的岬角。在大約3000年前，這里是古希臘帕爾忒諾珀族生活的地方，也是那不勒斯最早的雛形。此地基本上由凝灰?guī)r建造。凝灰?guī)r是火山灰形成的一種硬度低的黃色巖，被古人用作建筑材料。埃契亞山下面有一個(gè)復(fù)雜的通道和洞室系統(tǒng)，古人通過(guò)該系統(tǒng)挖掘凝灰?guī)r。

科學(xué)家對(duì)該系統(tǒng)的調(diào)查已進(jìn)行了數(shù)年。2017年科學(xué)家意識(shí)到，用新研發(fā)的μ介子探測(cè)器調(diào)查埃契亞山很合適，一是因?yàn)橹皩?duì)這座“山”的內(nèi)部情況已有一定的了解（因而可以把探測(cè)結(jié)果與已知情況對(duì)照，從而證明探測(cè)精度），二是因?yàn)榻裉斓陌Ｆ鮼喩讲⒎鞘且蛔铝⒌摹吧健?，而是“山”上有大量建筑物。這樣一來(lái)，就對(duì)μ介子探測(cè)器構(gòu)成了挑戰(zhàn)：要想透過(guò)這些建筑窺測(cè)“山”的下面，當(dāng)然不容易。不過(guò)，這讓?duì)探樽犹綔y(cè)變得更有趣：開(kāi)始時(shí)，科學(xué)家并不確定這些建筑物是否會(huì)干擾測(cè)量。

可喜的是，測(cè)試很成功。經(jīng)過(guò)μ介子探測(cè)，科學(xué)家不僅對(duì)應(yīng)上了埃契亞山內(nèi)部所有以前就知道的洞室，而且發(fā)現(xiàn)了一個(gè)之前未知的洞室。他們對(duì)該洞室進(jìn)行了三維重建，并且對(duì)它進(jìn)行了定位。以后如果要對(duì)埃契亞山內(nèi)部進(jìn)行實(shí)地探測(cè)，這一信息無(wú)疑很有幫助。不過(guò)，目前尚無(wú)實(shí)地探測(cè)的計(jì)劃。

離開(kāi)埃契亞山，科學(xué)家又來(lái)到那波利的另一個(gè)洞穴式考古遺址——庫(kù)瑪，這里被認(rèn)為是意大利大陸上第一批古希臘定居者的落腳地。但因?yàn)楦鞣N原因，該項(xiàng)目目前被擱置。不僅如此，在世界其他地方的μ介子探測(cè)項(xiàng)目也基本都擱置了。目前，科學(xué)家正在進(jìn)一步優(yōu)化μ介子探測(cè)器，希望這種技術(shù)在未來(lái)會(huì)更加精準(zhǔn)。

“掃描金字塔”項(xiàng)目也受到影響，暫時(shí)中止。不過(guò)，該項(xiàng)目已經(jīng)對(duì)2016年發(fā)現(xiàn)的小洞室揭示了更多信息，比如能比較有信心地推測(cè)它是一條5米長(zhǎng)的走廊，通往金字塔內(nèi)部，還可能向上傾斜。不僅如此，該項(xiàng)目還優(yōu)化了對(duì)2017年所發(fā)現(xiàn)大洞室維度的估計(jì)，比如現(xiàn)在能比較肯定它的長(zhǎng)度至少為40米。

用μ介子探測(cè)草原鼠洞及洪水風(fēng)險(xiǎn)

一旦μ介子探測(cè)項(xiàng)目得以恢復(fù)，那么世界各地那些最古老的人造和天然結(jié)構(gòu)內(nèi)部隱藏的信息就會(huì)開(kāi)始顯露出來(lái)，從而給我們帶來(lái)更多的啟發(fā)和幫助。

μ介子斷層攝影術(shù)能探查一個(gè)物體內(nèi)部的密度差異，這讓該技術(shù)的應(yīng)用范圍超出了考古學(xué)和火山學(xué)。建筑物內(nèi)部的空腔和縫隙都可能構(gòu)成危險(xiǎn)，而通過(guò)μ介子探測(cè)技術(shù)辨識(shí)大型民用建筑（例如橋梁）內(nèi)部的危險(xiǎn)縫隙，就可能拯救生命。

由于μ介子探測(cè)技術(shù)是非侵入性的，因此要想辨識(shí)這樣的危險(xiǎn)縫隙無(wú)需鉆探，而鉆探無(wú)疑會(huì)進(jìn)一步損傷建筑物。出于這一理由，同時(shí)考慮到保護(hù)古遺址的重要性，科學(xué)家已經(jīng)計(jì)劃時(shí)意大利佛羅倫薩一座大型古建筑進(jìn)行μ介子探測(cè)，目前，該計(jì)劃尚未實(shí)施。

與此相似，運(yùn)用μ介子斷層掃描術(shù)檢查冶煉金屬的高爐壁厚度，能揭示高爐的預(yù)期壽命還剩下多久。

科學(xué)家將采用μ介子探索這座古建筑

μ介子探測(cè)術(shù)在核電站也有用場(chǎng)。例如，它可被用來(lái)在不打開(kāi)容器的情況下檢查核廢料容器，否則就可能要打開(kāi)容器才能進(jìn)行檢查，而一旦打開(kāi)容器就可能造成核輻射，而且再次關(guān)閉好客器也很費(fèi)事。