沉船古铅与暗物质探索

刘小康

背景辐射量极低的沉船古铅

暗物质无法被直接观测到，要探测它们需要极低的背景辐射材料

2017年，英国物理学家加格因收到这样一条消息而欣喜：市面上出现了一批价格相当诱人的来自一艘西班牙沉船的古代铅。2016年，西班牙一家实验室的研究人员们也因收到了一批新发现的古代铅而开心不已;这批铅来自一艘沉没于四五百年前的西班牙运铅船，经测定，这批铅的放射性相当低。

说到放射性，你可能会想起制造原子弹的钚。可事实上，从陶瓷、玻璃到金属乃至香蕉，普通物件多多少少都含有放射性同位素，也就是具有放射性。这些元素在自身衰变过程中不断释放出粒子，足以干扰精密的粒子物理实验探测仪，让科学家误判结果。

暗物质，是一种迄今为止仍来直接观测到但又普遍存在于各星系内外、起着黏合作用的物质。科学家尝试通过直接侦测或通过其他粒子的表现来寻找暗物质。在寻找的过程中，不论是加拿大安大略省计划中的超低温暗物质探寻项目，还是在比利牛斯山地下实验室运行中的暗物质探测器群，它们统统建在地底深处，为的就是阻绝地表背景辐射，屏蔽背景辐射对探测仪器的干扰。

为屏蔽种种防不胜防的放射粒子，最有效的手段之一就是使用低放射性的铅。这些在水下沉眠了数世纪（部分运铅船甚至已经沉没了2000多年）的铅，其天然放射性早已衰退，放射性极低，对人类探寻暗物质十分有用。这也是科学家为何会对古铅如此心动的主要原因。

自1945年后，全世界生產的钢材都不可避免地受到核试验释放的放射性同位素影响

其实，钢铁也是屏蔽辐射的优秀材料。正因为钢铁本身优良的屏蔽性，一些实验室在过去的几十年间已经投入了数吨低背景辐射的古老钢材，用来保证内部实验的准确性。这些钢材主要来源于退役的战舰。不过，最为关键的是这些战舰建造的时机——未受核污染。

然而，1945年7月16日上午5时29分，美国新墨西哥州的沙漠迎来了有史以来的首场核爆，人类就此进入原子时代。在此后接踵而来的蘑菇云中，更多的放射性粉尘散播到世界各地。在此期间，世界各地的炼钢高炉则将放射性大气污染物吞了进去，这造成最终的钢材成品都或多或少具有放射性，无法再被用于对背景辐射敏感的物理实验。低背景钢材则必须在密闭环境中生产，且往往造价不菲。

而在地球史上首场成功的核爆之前建造的各艘战舰，其本身钢材没有遭受过核污染、放射水平极低，更因为其价格低廉，成为低背景钢材的不二之选。譬如医院或核电厂的全身计数器科室，为了测量人体吸收的放射量级，必须用厚重的金属密闭起来，以阻隔环境背景辐射对测量结果的干扰。美国于20世纪80年代设立了大量的全身计数器科室，其采用的最为廉价且稳定的低背景钢材主要就来自1945年之前制造的军舰。

为了获取低背景钢材，人们有时甚至会将遇难船舶掳走。其中最值得一提的是1919年在斯卡帕流被全数击沉的德国公海舰队的遗骸，其中的“威廉皇储号”战列舰的船板1974年被用于建造苏格兰某院的全身计数器科室。也有传言称，“藩侯号”战列舰上的钢材被用作了放射探测器，装载在美国首颗卫星“探险者1号”及随后的太空探测器“旅行者1号”和“旅行者2号”上。

虽然钢材在各类粒子物理实验中被广泛采用.但在人类探寻暗物质的过程中，铅才是最受青睐的材料。尽管有时水箱或塑料就足以屏蔽中子之类的粒子偶然撞击探测仪，但要为一些实验仪器屏蔽伽马射线就必须用到锏或铅。

铅本身不仅对大气放射性污染敏感，还可能被放射性同位素铅-210自然污染。20世纪80年代，屯子制造商发现，普通铅材形成的游离辐射污染会影响微芯片的制造。为获取适用的低背景铅，制造商甚至拆解了400年前的中世纪彩绘玻璃窗，用新近的铅置换出古代的铅。深埋的古铅材之所以能成为理想的辐射屏蔽材料，不仅是因为它本身不稳定的铅-210经历数世纪后大幅衰变成了稳定的铅-206，更是因为深海也让这些铅材免受宇宙射线的辐射，不被激发放射性。

欧洲内外的各水域内蕴藏的低背景铅材，主要来自古罗马时期的沉船。它们原本被铸造成了硬币、建材和兵器，现在却被主要出售给了粒子物理学家。

从2010年开始，意大利人为了研究“为何是物质而非反物质占据了宇宙的绝大部分”这一持久的谜题，已经用掉了数百块古代铅锭。这批铅锭源于2000年前沉没在撒丁海岸的一艘罗马舰，被认为极具考古价值。其中每块铅锭上都烙着印记，表明了它们的锻造历程。打捞出水后，这1000块铅锭中的绝大多数都被完好保存，并被意大利国家考古博物馆用于研究，但其中的270块铅锭则被熔掉以用于物理实验。在实验人员看来，将打捞上来的沉船铅用于科研并不浪费。但许多科学家还是倡议，只要能用塑料或钢材替代屏蔽材料，就尽可能不要使用珍贵的沉船铅锭。

一些科學家甚至从铅玻璃中提取古铅

古罗马的年均铅产量为8.8万吨，物理实验需要的不过是九牛一毛。对于这些含铅的古老文物来说，真正的威胁或许来自新兴的微电子产业。每台电脑和智能手机都不可或缺的微芯片，越来越多地采用了低背景铅组件。虽然微电子产业可以使用新近生产的低背景辐射铅材，但古代铅材便宜得多。不过，有人认为这种将历史文物消耗在商业用途上的行径，对人类是毫无裨益的。

虽然在真正找到神秘的暗物质之前，对它的追寻像是徒劳无益的苦差，而一旦发现暗物质，人类的未来将被彻底改写。到时恐怕不会再有多少人会坚持认为牺牲部分历史文物对人类是毫无裨益的。

2007年在巴旺岛附近，一支勘探潜水队发现了第二次世界大战中被击沉的英国皇家海军“埃克塞特号”轻型巡洋舰的遗骸。十年后，当另一支潜水队再次前往该船沉没地点考察，却惊讶地发现沉船不翼而飞。这并非超自然力量作祟，而是印度尼西亚非法打捞队的杰作。仅仅借助小渔船跟空气压缩机，他们硬是在不到十年的时间里，生生取走了近万吨重的残骸。虽说战舰含有大量青铜、黄铜、纯铜及其他有色金属，能在回收市场上卖个好价，但似乎不足以解释整艘战舰的凭空消失。有人猜测，“埃克塞特号”的残骸可能流入了鲜为人知却利润丰厚的低背景钢材市场。

不过，对低背景钢材的需求近年来日益萎缩。随着钢铁冶炼技术普遍从贝塞麦炼钢法改进为氧气转炉炼钢，炼钢过程已经不再使用来自大气层的空气，而是采用已经分离了放射性元素的纯氧;而随着电子工业的进步，科学仪器也能够对游离放射污染造成的误差进行自动补偿。这意味着，除了中微子探测器这类最敏感的仪器，其他仪器都不再需要低背景钢材了。