为什么粒子物理学家也对水下考古感兴趣？

编译 蔡立英

日常放射性物质会产生放射性粒子是粒子物理学家面临的主要障碍之一，解决方案是寻找低辐射物质。古代沉船中有很多低背景辐射的铅，而这正是粒子物理学家搜寻暗物质的神器。与此同时，科学家也面临道德困境：以科学的名义牺牲重要的文化遗产是否值得？

古代沉船上的稀世奇珍

2017年，英国伦敦大学学院的物理学家沙姆考尔•加格（Chamkaur Ghag）收到了一封电子邮件——西班牙一位同行给他提供了一个诱人职位。此前一年，美国普林斯顿大学的名誉教授弗兰克•卡拉普赖斯（Frank Calaprice）获悉，一艘400或500年前在新泽西海岸沉没的古老西班牙船只上满载着铅。卡拉普赖斯设法获得了少量铅样品，并将其送往西班牙，在比利牛斯山脉中的一个地下实验室里，检测其放射性。正如时任西班牙坎夫兰克地下实验室主任阿尔多•兰尼（Aldo Ianni）所期望的，铅样品的放射性很低。现在，任何实验室只要愿意支付20欧元，就可以获得1千克来自深海沉船的铅，这还算是一个相对较高的价格。

全世界各地都在开采和提炼铅，但是这种在深海沉船上发现的已有数百年历史的铅，具有稀罕的特质——这些铅早于美利坚合众国诞生前就已沉没在深海中，其天然放射性已经衰减到无法再释放出粒子的程度。对于粒子物理学家来说，这一特质使这些铅具有特殊的价值。

“这些铅的价值有点像是金子做的土。”加格打了个比方。

别说是钚这种众所周知的放射性金属元素了，就是日常生活中的大量物品，比如陶瓷、玻璃、金属甚至香蕉，都具有不同程度的放射性。粒子物理实验中，如果这些物质衰变时放射出的粒子撞击探测器，可能给科学家带来假阳性结果，从而阻碍科学发现。即使是由各种金属建造而成的实验装置本身，也具有较轻的放射性成分。

但是，我们只需少许铅就可以使探测器免受各种粒子辐射的捣乱，而其中一种屏蔽“不速之客”的最佳方法，就是用本身几乎没有放射性的铅把探测器包围起来。这种铅的最佳来源恰好是海底的沉船，其中一些沉船已经被埋葬在沿海水域中长达两千年之久。

粒子物理实验试图寻找宇宙最基本的组成部分，包括至今尚未被观察到的暗物质，其作用类似于星系内部和星系之间的黏合剂。尽管这种古老的铅将帮助人类揭开宇宙的奥秘，但要获得这种铅，经常会陷入现实和道德上的困境。

沉船中的铅属于一类自身放射性很低的材料，称为“低背景辐射”材料。澳大利亚斯威本科技大学的天体物理学家艾伦•达菲（Alan Duffy）表示，关于低背景辐射材料还没有统一的标准，但是根据一个实验对背景辐射的敏感性，就能确定所需背景材料的放射水平。他说：“如果你要建造一个盖革计数器，就需要保证这个盖革计数器不会将自身放射的粒子计算进去。”

阻挡辐射的绝佳屏蔽物

以钢铁为例，钢铁是阻挡放射性粒子闯入实验装置的极好屏蔽物。因此，美国伊利诺伊州研究粒子物理的加速器实验室——费米实验室的历史学家和档案管理员瓦莱丽•希金斯（Valerie Higgins）透露，在过去几十年中，使用了数吨特殊的钢铁作为实验装置的屏蔽物。这些特殊的钢铁通常来自退役军舰，其中许多军舰在第二次世界大战或朝鲜战争前后就已建造好或服役过，包括“阿斯托里亚号”（Astoria）、“罗阿诺克号”（Roanoke）、“黄蜂号”（Wasp）、“菲律宾海号”（Philippine Sea）和“巴尔的摩号”（Baltimore）等军舰。

这些战争爆发的时间很重要。1945年7月16日凌晨5时29分，人类有史以来第一颗原子弹在美国新墨西哥州约纳达•德尔•穆尔托（Jornada del Muerto，西班牙语意为“死亡之旅”）沙漠爆炸。随着原子能时代到来，随后的每一颗核弹爆炸，都会向全世界释放出更多的放射性沉降物。

达菲说，冷战时期炼制钢铁的冶炼熔炉中都吸入了含有放射性污染物的大气。这导致生产出来的钢铁制品具有放射性，使其不适用于许多物理实验。

《全面禁止核试验条约》公布，意味着当今世界上已较少有人为的放射性产生，即便如此，剂量很低的人为放射性仍足以让钢铁制品吸入放射性粒子。低背景辐射的钢铁能在封闭的环境中制造，但通常成本很高。除此之外，低背景辐射钢铁的最佳来源是退役军舰，并且建造时间要在“三位一体”核试验在新墨西哥州大地上造成玻璃状疤痕之前（译注：核爆炸的高温把沙的硅质晶体熔化后，再凝固形成玻璃状结晶物质）。来自退役军舰的钢铁不仅具有极低的放射性，而且非常便宜。

尽管来自沉船的钢铁可以很好地用于各种粒子物理实验，但是在对暗物质的搜寻中，铅仍然发挥着首屈一指的作用。

搜寻暗物质的神器

暗物质在宇宙所有物质中的占比达83%，就凭这一点，暗物质显然值得研究，但科学家直到现在都没有探测到它。为了搜寻这种难以捉摸的物质，科学家们建造了各种实验装置，试图直接探测到暗物质，或者利用其他粒子的存在来证明暗物质的存在。许多暗物质探测装置都建在地下深处，包括加拿大安大略省的萨德伯里中微子观测站实验室（SNOLAB）正在规划建造的SuperCDMS探测器，以及西班牙比利牛斯山脉坎夫兰克地下实验室中正在运行的一些探测器。之所以建在地下，是因为这样能屏蔽地表辐射对探测器产生的干扰。

由于这些探测器特别敏感，需要屏蔽周围和环境中的粒子。每个暗物质实验装置对背景辐射的容限度不同。为了确定实验装置的容限度，达菲说：“你实质上需要先建造一个基础的探测器，来检测一下哪种屏蔽辐射的材料是最好的。”

加格解释说，有时水箱或某种塑料就足以阻止像中子这样的粒子意外撞击探测器。但是，某些实验装置要阻挡伽马射线，就可能需要铜或铅。

海底古老的铅就是理想的材料，不仅因为其不稳定的铅同位素铅-210经过几个世纪的大大衰减后，会形成稳定的铅-206，而且，海水还阻挡了宇宙射线（宇宙射线会促进物质的放射性）。卡拉普赖斯帮助设计过一些暗物质探测实验装置的部件，他正是因为深知这些铅的非凡价值，所以当他获悉一艘在新泽西海岸沉没的古老西班牙船只上发现铅后，才会想方设法获取铅样品。

虽然那艘西班牙沉船上的铅还没有被打捞上来，不过，这种发现品的售卖都有套路。加格解释说：“一些地下实验室时不时地会说，‘嘿，这里有个机会能买到一堆古代的铅，谁想买？’”如果这些沉没在海底的铅能回收，而且各方都非常感兴趣，那么，这些材料就会被拍卖。

在欧洲的内海和周围的海域，低背景辐射的铅经常是从古罗马时代的沉船中发现。这些铅最初被铸造成硬币、建筑材料和战争武器，如今被打捞上来，而买家中就有粒子物理学家。

粒子物理学家的道德困境

一些考古学家已经公开质疑，以科学的名义牺牲考古宝藏是否值得。例如，从2010年开始，意大利的低温地下罕见事件天文观测台（CUORE）就获得了数百个铅锭用于实验，希望解决长期以来困扰科学家的难题——为什么是物质而不是反物质在宇宙中占据主导地位。这些铅锭来自撒丁岛沿海的一艘古罗马沉船，该船只大约在2000年前沉没，具有极高的考古学价值。沉船上的每一个铅锭都镌刻着能够揭露其生产历史的戳记。尽管从沉船上获取的1 000个铅锭中，大多数都完好无损，可以送到卡利亚里国家考古博物馆进行研究，但其中的270个铅锭被融化了，用于物理实验。

2013年，当时是英国伯明翰大学考古学研究生的埃琳娜•佩雷斯-阿尔瓦罗（Elena Perez-Alvaro）注意到了这个道德困境。所有富含低背景辐射材料的古老水下沉船都会面临这个困境，其中许多沉船都封存了人类历史。联合国教科文组织于2001年通过了《水下文化遗产保护公约》（Convention on the Protection of the Underwater Cultural Heritage），旨在防止这些水下沉船残骸中的遗留物被清理干净。但是，正如佩雷斯-阿尔瓦罗所指出的那样，该公约存在一个盲点：尽管该公约要求保护沉船中的文化遗产免遭商业开发，但并没有说明是否可以将其打捞上来用于科学研究。

2015年，在与日立剑桥实验室的费尔南多•冈萨雷斯-萨尔瓦（Fernando Gonzalez-Zalba）合著的一篇论文中，佩雷斯-阿尔瓦罗得出结论，现在还没有任何商业技术可以生产出科学家开展暗物质实验研究所需的低背景辐射特质的铅。因此，在研究人员看来，打捞这些古老的铅是值得的，但应根据具体情况仔细分析这些物理学家的需求，以确定物理学家是否真的需要铅而不是塑料或钢。

“我们必须确立水下文化遗产保护的规则，我们必须坚守底线，”如今已是合法文化遗产公司（Licit Cultural Heritage）总经理的佩雷斯-阿尔瓦罗强调，“沉船上的文物并不是人们可以随意挖掘的废铜烂铁。”不过，冈萨雷斯-萨尔瓦指出，到目前为止，还没有任何一家有能力制定和实施这样的保护规则的机构担负起这项使命。

即使确实出现了这样一个建议性的规则框架，规定了如何获取和使用古代铅和其他低背景辐射材料，也未必就能对沉船遗留物的打捞起到规范作用。

近年来，在马来西亚、印度尼西亚和新加坡沿海地区，第二次世界大战时期的军舰残骸逐渐消失了。这些军舰中许多都是战争坟墓，里面甚至还有数百具人类的遗骸。这些军舰被打捞人员非法拆解，其中一些打捞人员可能一直在寻找低背景辐射的钢。尽管买家可能不想使用这些非法来源的低背景辐射材料，但是当他们收到这些材料时，他们可能也无法确定其出处了。

尽管从道德上来说，没有任何地方像被洗劫过的战争坟墓这样令人厌恶，但是，来自具有文化遗产价值的古老沉船的铅，其来源也可能像来自沉船的钢一样，被类似地模糊过去了。“我猜，我们通常不会太在意材料的来源，不会在意到去确认其出处，”加格说，“人性就是这样，我们更关心的是材料的成本。”

冈萨雷斯-萨尔瓦解释说，罗马帝国每年生产约8.8万吨铅，而很多物理实验只需要其中一小部分。他说，对于低背景辐射材料的回收利用所面临的道德困境，科学家们的相关意识和敏感性也正在增强。

达菲说，粒子物理学家在考虑所获得的材料的来源时，应该首先想到这些材料是文化遗产。但是，他强调说，低背景辐射材料被“确定地”视为一种宝贵资源，并不会被随意滥用。

冈萨雷斯-萨尔瓦怀疑，真正的危险来自蓬勃发展的微电子行业。每台计算机和智能手机中的微型芯片，通常都需要低背景辐射的铅构成的组件。他指出，尽管该行业可以使用新生产的铅，但制造商通常会选择古老的铅，因为成本便宜一个数量级。“这种应用才是最让我担忧的，因为它是一种商业性的设备。”冈萨雷斯-萨尔瓦说。

但是，经过深思熟虑，粒子物理学家能在道德与实验之间达到平衡。直到发现暗物质的那一刻之前，搜寻神秘的暗物质可能就像是希腊神话中的西西弗斯永无休止地滚石上山一样，是一个永远不会完结的任务。但是，如果我们真的发现了暗物质，这个发现将革命性地改变我们的未来。所以，很难想象会有很多人争辩说，牺牲一小部分的历史去追寻暗物质是不值得的。