沉船中的寶藏：物理學家最愛的金屬

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家發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)的契機。與此同時，科學家也面臨著道德困境：他們應不應該以科學之名犧牲重要的文化遺產(chǎn)?

沉船中的寶藏

鉛

2017年，倫敦大學學院的物理學家Chamkaur Ghag收到了一封郵件，郵件內(nèi)容是一所西班牙大學提供的誘人的職位。而就在他收到郵件的前一年，普林斯頓大學的榮譽教授 Frank Calaprice了解到，一艘400或500年前在新澤西州沿海沉沒的西班牙船上裝滿了。Calaprice設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研究所，來檢測它的放射性。正如當時Canfranc地下實驗室的主任 Aldo Ianni所期望的，鉛的放射性很低?，F(xiàn)在，任何物理實驗室只要愿意支付20歐元，他們都可以獲得1千克來自深海中的鉛，這還算是一個相對較高的價格。

全球各地都在挖掘和煉制鉛金屬，但這種擁有幾個世紀的壽命，在深海的船骸中發(fā)現(xiàn)的鉛具有稀缺的價值。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)衰變至無法再釋放出粒子的程度。對粒子物理學家來說，這些鉛具有重大的價值。“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。在粒子物理實驗中，這些物質(zhì)衰變時放射出的粒子能撞擊檢測器，產(chǎn)生假陽性的結(jié)果，阻礙科學發(fā)現(xiàn)。即使由各種金屬建造的實驗裝置本身，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器。這種鉛最好的來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。

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

制圖：Markus Haider

沉船中的鉛屬于一類自身放射性很低的材料，可作為低輻射背景材料。斯威本科技大學的天文物理學家Alan Duffy表示，關(guān)于低輻射背景材料還沒有統(tǒng)一的標準，但根據(jù)一個實驗對背景輻射的敏感性，就能確定所需背景材料的放射水平。他說：“如果你要建造一個蓋革計數(shù)器，你需要保證這個計數(shù)器不會將自身放射的粒子計算進去。”

阻擋輻射的物質(zhì)

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

我提到二戰(zhàn)，是因為它的發(fā)生與現(xiàn)在的金屬裝置相關(guān)。1945年7月16日，第一顆核彈在美國新墨西哥州的沙漠上爆炸。隨著原子能時代到來，每一顆核彈爆炸都會導致更多的放射性物質(zhì)被釋放到地球上。

Duffy說，冷戰(zhàn)時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。這導致生產(chǎn)出來的鋼鐵制品具有放射性，而這些金屬制品被應用于許多物理實驗時會會不穩(wěn)定，釋放出放射性粒子。

隨著《全面禁止核試驗條約》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源就是在新墨西哥州核試驗之前建造、已經(jīng)退役的戰(zhàn)爭用船。這種鋼材料不僅放射性特別低，也特別便宜。

現(xiàn)在，沉船來源的鋼幾乎能用在各種的粒子物理實驗中，但在搜尋暗物質(zhì)的領(lǐng)域，研究對鉛的需求依舊占據(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%，但科學家直到現(xiàn)在都沒有檢測到它。在研究這種難以捉摸的物質(zhì)時，科學家們建造了各種實驗裝置，試圖證明它們的存在。許多檢測裝置都建在地下深處，包括加拿大安大略省SNOLAB實驗室正在計劃中的SuperCDMS探測器，以及比利牛斯山脈Canfranc地下實驗室正在運行的一些探測器。這樣能屏蔽地表的輻射，不會對檢測器產(chǎn)生干擾。

Canfranc地下實驗室

由于這些檢測設備特別敏感，需要遮擋來自周圍和環(huán)境中的粒子。每一個暗物質(zhì)實驗裝置對背景輻射的容限度不同。為了確定實驗裝置的容限度，Duffy說：“你需要先建立一個基礎的檢測器”并檢測一下用什么樣材料阻擋輻射是最好的。有時，一個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器。但如果需要阻擋伽馬射線，實驗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，不僅僅因為不穩(wěn)定的鉛同位素鉛-210經(jīng)過幾個世紀的放射后，會形成穩(wěn)定的鉛-206。海水能阻隔來自宇宙的射線，并促進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)利用這些鉛設計了一些檢測暗物質(zhì)的實驗裝置。

目前，這種特殊鉛的來源仍然很有限，但是對這種鉛的售賣行為卻很常見。Ghag解釋說，“有時候，一些地下實驗室會說，‘嘿，這里有個機會能買一堆古代的鉛，誰買?’”如果這些沉在海底的鉛材料可以收回，會有機構(gòu)對這些材料進行拍賣，而許多研究單位也會對拍賣產(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代的沉船中被發(fā)現(xiàn)。含鉛的錢幣、建筑材料和用于戰(zhàn)爭的武器會被打撈起來，而理論物理學家也是它們的買家。

科學與文明之爭

一些天文物理學家曾公開質(zhì)問，是否能以科學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驗。而他們的實驗，試圖解決長期以來困擾科學家的問題，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，具有極高的考古學價值。其中每一個鉛塊都能夠揭露其生產(chǎn)歷史。雖然，在沉船的1000塊鉛塊中，大部分是完好無損的，可以送到意大利國家考古博物館中進行研究。但其中有270塊鉛塊已經(jīng)被融化以用于物理學實驗研究。

在2013年，伯明翰大學的考古學本科生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，其中一些材料也包含了豐富的人類歷史。2001年頒布的《水下文物遺產(chǎn)的保護法和國際公約》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，公約中存在一個盲點，雖然它強調(diào)沉船中的文明遺產(chǎn)不能用于商業(yè)交易，但并沒有表明它們不能用于科學實驗。

2015年，在她和日立劍橋?qū)嶒炇业腇ernando Gonzalez-Zalba合作的論文中，Perez-Alvaro總結(jié)到：現(xiàn)在還沒有一種商業(yè)技術(shù)，能生產(chǎn)滿足科學家研究暗物質(zhì)實驗需要的鉛。在研究者的角度，用這些古代的鉛是值得的，但這些物理學家對鉛的需求需要被仔細分析，以確保實驗設備真的不能由塑料或鋼替代。

最近幾年，在馬來西亞、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)爭中的墳墓，里面甚至還有成百具人類的遺骸。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家可能不想要使用這些非法來源的低背景輻射材料，但一旦收到這些材料，他們也無法確定它們的出處了。

Gonzalez-Zalba解釋道，羅馬帝國每年會生產(chǎn)8.8萬噸鉛，而物理實驗只需要其中很小的部分。他接著說，科學家也正在增強相關(guān)意識和敏感性，避免不陷入由低背景輻射材料構(gòu)成的道德難題中。

Duffy說，粒子物理學家在考慮所獲得的材料的來源時，應該優(yōu)先想到這些文化遺產(chǎn)。但他也強調(diào)道低背景輻射材料被認為是一種珍貴的原料，并不會被隨意濫用。

Gonzalez-Zalba懷疑，真正的危機來源于微型電子工業(yè)的逐漸繁榮。每個電腦和手機的微型芯片，都需要由低背景輻射的鉛構(gòu)成的組件。雖然，工業(yè)中會使用新產(chǎn)生的鉛，他說，生產(chǎn)廠家通常會選擇古老的鉛，因為生產(chǎn)的成本會指數(shù)級下降。“這種應用才是最讓我擔憂的，因為它是一種商業(yè)性的設備，”Gonzalez-Zalba說，“但這種設備并不會讓人類受益。”

但通過深思熟慮，粒子物理學家能達到一個道德和實驗的平衡。直到我們發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)，在此之前，這個探索都會像是一個永遠不會完結(jié)的任務。但如果我們發(fā)現(xiàn)了它，這個發(fā)現(xiàn)將會革命性地改變我們的未來。所以真的很難想象，許多人會認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