沉船中的寶藏：物理學(xué)家最?lèi)?ài)的金屬

古代沉船中有很多低背景輻射材料，而這或?qū)⒊蔀榱Ｗ游锢韺W(xué)家發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)的契機(jī)。與此同時(shí)，科學(xué)家也面臨著道德困境：他們應(yīng)不應(yīng)該以科學(xué)之名犧牲重要的文化遺產(chǎn)?

沉船中的寶藏

鉛

2017年，倫敦大學(xué)學(xué)院的物理學(xué)家Chamkaur Ghag收到了一封郵件，郵件內(nèi)容是一所西班牙大學(xué)提供的誘人的職位。而就在他收到郵件的前一年，普林斯頓大學(xué)的榮譽(yù)教授 Frank Calaprice了解到，一艘400或500年前在新澤西州沿海沉沒(méi)的西班牙船上裝滿(mǎn)了。Calaprice設(shè)法獲得了少量的樣品，并把它送到了修建在西班牙比利牛斯山脈中的一個(gè)研究所，來(lái)檢測(cè)它的放射性。正如當(dāng)時(shí)Canfranc地下實(shí)驗(yàn)室的主任 Aldo Ianni所期望的，鉛的放射性很低?，F(xiàn)在，任何物理實(shí)驗(yàn)室只要愿意支付20歐元，他們都可以獲得1千克來(lái)自深海中的鉛，這還算是一個(gè)相對(duì)較高的價(jià)格。

全球各地都在挖掘和煉制鉛金屬，但這種擁有幾個(gè)世紀(jì)的壽命，在深海的船骸中發(fā)現(xiàn)的鉛具有稀缺的價(jià)值。數(shù)百年前，這些鉛就已經(jīng)沉在了深海中，其天然的放射性已經(jīng)衰變至無(wú)法再釋放出粒子的程度。對(duì)粒子物理學(xué)家來(lái)說(shuō)，這些鉛具有重大的價(jià)值。“它就像是金子做的土。”Ghag表示。

生活中的大量物體，從陶瓷、玻璃到金屬，甚至是香蕉都有不同程度的放射性。在粒子物理實(shí)驗(yàn)中，這些物質(zhì)衰變時(shí)放射出的粒子能撞擊檢測(cè)器，產(chǎn)生假陽(yáng)性的結(jié)果，阻礙科學(xué)發(fā)現(xiàn)。即使由各種金屬建造的實(shí)驗(yàn)裝置本身，也有較輕的放射性。

但我們僅僅只需要一小段鉛就能幫助檢測(cè)器阻擋各種混亂的粒子輻射，而一種最有效的方式，是用不具有輻射性的鉛包括這些檢測(cè)器。這種鉛最好的來(lái)源就是沉在海底的船，其中一些沉船已經(jīng)在海水中被掩埋了將近2000年。

粒子物理實(shí)驗(yàn)試圖觀察宇宙中最基本的組成部分，包括了目前還沒(méi)有被觀察到、類(lèi)似星系與星系之間“粘合劑”的暗物質(zhì)。盡管這些古老的鉛將幫助人類(lèi)揭示宇宙的奧秘，但獲得這種鉛經(jīng)常會(huì)陷入現(xiàn)實(shí)和道德上的困境。

制圖：Markus Haider

沉船中的鉛屬于一類(lèi)自身放射性很低的材料，可作為低輻射背景材料。斯威本科技大學(xué)的天文物理學(xué)家Alan Duffy表示，關(guān)于低輻射背景材料還沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，但根據(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，你需要保證這個(gè)計(jì)數(shù)器不會(huì)將自身放射的粒子計(jì)算進(jìn)去。”

阻擋輻射的物質(zhì)

鋼鐵也是一種非常實(shí)用的遮蔽物，能阻擋闖入實(shí)驗(yàn)裝置的粒子。因此，位于美國(guó)伊利諾伊州研究粒子物理和高能物理的費(fèi)米國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室，在過(guò)去的幾十年中共使用了好幾噸特殊的鋼，去遮蔽機(jī)器裝置散發(fā)出的粒子。這些特殊的鋼鐵一般來(lái)自停用的戰(zhàn)艦，其中大部分戰(zhàn)艦在二戰(zhàn)服役過(guò)。

我提到二戰(zhàn)，是因?yàn)樗陌l(fā)生與現(xiàn)在的金屬裝置相關(guān)。1945年7月16日，第一顆核彈在美國(guó)新墨西哥州的沙漠上爆炸。隨著原子能時(shí)代到來(lái)，每一顆核彈爆炸都會(huì)導(dǎo)致更多的放射性物質(zhì)被釋放到地球上。

Duffy說(shuō)，冷戰(zhàn)時(shí)期制造鋼鐵的熔煉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，而這些金屬制品被應(yīng)用于許多物理實(shí)驗(yàn)時(shí)會(huì)會(huì)不穩(wěn)定，釋放出放射性粒子。

隨著《全面禁止核試驗(yàn)條約》公布，世界上已很少有人為造成的放射性產(chǎn)生，但即使人為釋放的放射性劑量很低，也已足夠讓鐵制品中吸入有足夠多的放射性粒子。低輻射背景的鋼鐵能在封閉的環(huán)境中制造，但成本很高，因此最理想的鋼鐵原材料來(lái)源就是在新墨西哥州核試驗(yàn)之前建造、已經(jīng)退役的戰(zhàn)爭(zhēng)用船。這種鋼材料不僅放射性特別低，也特別便宜。

現(xiàn)在，沉船來(lái)源的鋼幾乎能用在各種的粒子物理實(shí)驗(yàn)中，但在搜尋暗物質(zhì)的領(lǐng)域，研究對(duì)鉛的需求依舊占據(jù)首要地位。

探索暗物質(zhì)也需要沉船寶藏

暗物質(zhì)在宇宙物質(zhì)中的占比為83%，但科學(xué)家直到現(xiàn)在都沒(méi)有檢測(cè)到它。在研究這種難以捉摸的物質(zhì)時(shí)，科學(xué)家們建造了各種實(shí)驗(yàn)裝置，試圖證明它們的存在。許多檢測(cè)裝置都建在地下深處，包括加拿大安大略省SNOLAB實(shí)驗(yàn)室正在計(jì)劃中的SuperCDMS探測(cè)器，以及比利牛斯山脈Canfranc地下實(shí)驗(yàn)室正在運(yùn)行的一些探測(cè)器。這樣能屏蔽地表的輻射，不會(huì)對(duì)檢測(cè)器產(chǎn)生干擾。

Canfranc地下實(shí)驗(yàn)室

由于這些檢測(cè)設(shè)備特別敏感，需要遮擋來(lái)自周?chē)铜h(huán)境中的粒子。每一個(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，Duffy說(shuō)：“你需要先建立一個(gè)基礎(chǔ)的檢測(cè)器”并檢測(cè)一下用什么樣材料阻擋輻射是最好的。有時(shí)，一個(gè)水箱或一些塑料就能阻止像中子一樣的粒子意外撞擊檢測(cè)器。但如果需要阻擋伽馬射線(xiàn)，實(shí)驗(yàn)裝置就需要銅或者鉛制的隔檔。

海底古老的鉛就是理想的材料，不僅僅因?yàn)椴环€(wěn)定的鉛同位素鉛-210經(jīng)過(guò)幾個(gè)世紀(jì)的放射后，會(huì)形成穩(wěn)定的鉛-206。海水能阻隔來(lái)自宇宙的射線(xiàn)，并促進(jìn)其中材料的釋放其放射性。由于上述的原因，在新澤西州沿海發(fā)現(xiàn)西班牙船中的鉛后，Calaprice已經(jīng)利用這些鉛設(shè)計(jì)了一些檢測(cè)暗物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)裝置。

目前，這種特殊鉛的來(lái)源仍然很有限，但是對(duì)這種鉛的售賣(mài)行為卻很常見(jiàn)。Ghag解釋說(shuō)，“有時(shí)候，一些地下實(shí)驗(yàn)室會(huì)說(shuō)，‘嘿，這里有個(gè)機(jī)會(huì)能買(mǎi)一堆古代的鉛，誰(shuí)買(mǎi)?’”如果這些沉在海底的鉛材料可以收回，會(huì)有機(jī)構(gòu)對(duì)這些材料進(jìn)行拍賣(mài)，而許多研究單位也會(huì)對(duì)拍賣(mài)產(chǎn)生很大的興趣。

在環(huán)繞歐洲的海水中，低背景輻射的鉛就經(jīng)常在從最早始于古羅馬時(shí)代的沉船中被發(fā)現(xiàn)。含鉛的錢(qián)幣、建筑材料和用于戰(zhàn)爭(zhēng)的武器會(huì)被打撈起來(lái)，而理論物理學(xué)家也是它們的買(mǎi)家。

科學(xué)與文明之爭(zhēng)

一些天文物理學(xué)家曾公開(kāi)質(zhì)問(wèn)，是否能以科學(xué)之名而犧牲古代的珍寶。例如，從2010年起，意大利的地下低溫稀有事件觀察站(Cryogenic Underground Observatory for Rare Events)就獲得了上百塊鉛用于實(shí)驗(yàn)。而他們的實(shí)驗(yàn)，試圖解決長(zhǎng)期以來(lái)困擾科學(xué)家的問(wèn)題，例如為什么是物質(zhì)而不是反物質(zhì)在宇宙中占據(jù)主要地位。這些鉛塊來(lái)自于撒丁島沿海的古羅馬船只，這些船只已經(jīng)在海底沉寂了2000多年，具有極高的考古學(xué)價(jià)值。其中每一個(gè)鉛塊都能夠揭露其生產(chǎn)歷史。雖然，在沉船的1000塊鉛塊中，大部分是完好無(wú)損的，可以送到意大利國(guó)家考古博物館中進(jìn)行研究。但其中有270塊鉛塊已經(jīng)被融化以用于物理學(xué)實(shí)驗(yàn)研究。

在2013年，伯明翰大學(xué)的考古學(xué)本科生Elena Perez-Alvaro也陷入里這樣的窘境中。所有珍貴的沉船殘骸中都含有低輻射的材料，但同時(shí)，其中一些材料也包含了豐富的人類(lèi)歷史。2001年頒布的《水下文物遺產(chǎn)的保護(hù)法和國(guó)際公約》是為了阻止這些大船中的遺留物被清理干凈。但正如Perez-Alvaro指出的，公約中存在一個(gè)盲點(diǎn)，雖然它強(qiáng)調(diào)沉船中的文明遺產(chǎn)不能用于商業(yè)交易，但并沒(méi)有表明它們不能用于科學(xué)實(shí)驗(yàn)。

2015年，在她和日立劍橋?qū)嶒?yàn)室的Fernando Gonzalez-Zalba合作的論文中，Perez-Alvaro總結(jié)到：現(xiàn)在還沒(méi)有一種商業(yè)技術(shù)，能生產(chǎn)滿(mǎn)足科學(xué)家研究暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)需要的鉛。在研究者的角度，用這些古代的鉛是值得的，但這些物理學(xué)家對(duì)鉛的需求需要被仔細(xì)分析，以確保實(shí)驗(yàn)設(shè)備真的不能由塑料或鋼替代。

最近幾年，在馬來(lái)西亞、印度尼西亞和新加坡沿海，二戰(zhàn)的戰(zhàn)艦殘骸逐漸消失了。這些戰(zhàn)艦中許多都是戰(zhàn)爭(zhēng)中的墳?zāi)?，里面甚至還有成百具人類(lèi)的遺骸。這些戰(zhàn)艦被打撈人員非法拆解，其中的一些打撈人員可能在尋找低背景輻射的鋼材。盡管作為科研單位的買(mǎi)家可能不想要使用這些非法來(lái)源的低背景輻射材料，但一旦收到這些材料，他們也無(wú)法確定它們的出處了。

Gonzalez-Zalba解釋道，羅馬帝國(guó)每年會(huì)生產(chǎn)8.8萬(wàn)噸鉛，而物理實(shí)驗(yàn)只需要其中很小的部分。他接著說(shuō)，科學(xué)家也正在增強(qiáng)相關(guān)意識(shí)和敏感性，避免不陷入由低背景輻射材料構(gòu)成的道德難題中。

Duffy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)該優(yōu)先想到這些文化遺產(chǎn)。但他也強(qiáng)調(diào)道低背景輻射材料被認(rèn)為是一種珍貴的原料，并不會(huì)被隨意濫用。

Gonzalez-Zalba懷疑，真正的危機(jī)來(lái)源于微型電子工業(yè)的逐漸繁榮。每個(gè)電腦和手機(jī)的微型芯片，都需要由低背景輻射的鉛構(gòu)成的組件。雖然，工業(yè)中會(huì)使用新產(chǎn)生的鉛，他說(shuō)，生產(chǎn)廠(chǎng)家通常會(huì)選擇古老的鉛，因?yàn)樯a(chǎn)的成本會(huì)指數(shù)級(jí)下降。“這種應(yīng)用才是最讓我擔(dān)憂(yōu)的，因?yàn)樗且环N商業(yè)性的設(shè)備，”Gonzalez-Zalba說(shuō)，“但這種設(shè)備并不會(huì)讓人類(lèi)受益。”

但通過(guò)深思熟慮，粒子物理學(xué)家能達(dá)到一個(gè)道德和實(shí)驗(yàn)的平衡。直到我們發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)，在此之前，這個(gè)探索都會(huì)像是一個(gè)永遠(yuǎn)不會(huì)完結(jié)的任務(wù)。但如果我們發(fā)現(xiàn)了它，這個(gè)發(fā)現(xiàn)將會(huì)革命性地改變我們的未來(lái)。所以真的很難想象，許多人會(huì)認(rèn)為犧牲一小部分的歷史去追求暗物質(zhì)是不值得的。

關(guān)鍵詞： 深海 金屬