為什么粒子物理學家也對水下考古感興趣？

編譯 蔡立英

日常放射性物質會產生放射性粒子是粒子物理學家面臨的主要障礙之一，解決方案是尋找低輻射物質。古代沉船中有很多低背景輻射的鉛，而這正是粒子物理學家搜尋暗物質的神器。與此同時，科學家也面臨道德困境：以科學的名義犧牲重要的文化遺產是否值得？

古代沉船上的稀世奇珍

2017年，英國倫敦大學學院的物理學家沙姆考爾?加格（Chamkaur Ghag）收到了一封電子郵件——西班牙一位同行給他提供了一個誘人職位。此前一年，美國普林斯頓大學的名譽教授弗蘭克?卡拉普賴斯（Frank Calaprice）獲悉，一艘400或500年前在新澤西海岸沉沒的古老西班牙船只上滿載著鉛。卡拉普賴斯設法獲得了少量鉛樣品，并將其送往西班牙，在比利牛斯山脈中的一個地下實驗室里，檢測其放射性。正如時任西班牙坎夫蘭克地下實驗室主任阿爾多?蘭尼（Aldo Ianni）所期望的，鉛樣品的放射性很低。現在，任何實驗室只要愿意支付20歐元，就可以獲得1千克來自深海沉船的鉛，這還算是一個相對較高的價格。

全世界各地都在開采和提煉鉛，但是這種在深海沉船上發現的已有數百年歷史的鉛，具有稀罕的特質——這些鉛早于美利堅合眾國誕生前就已沉沒在深海中，其天然放射性已經衰減到無法再釋放出粒子的程度。對于粒子物理學家來說，這一特質使這些鉛具有特殊的價值。

“這些鉛的價值有點像是金子做的土。”加格打了個比方。

別說是钚這種眾所周知的放射性金屬元素了，就是日常生活中的大量物品，比如陶瓷、玻璃、金屬甚至香蕉，都具有不同程度的放射性。粒子物理實驗中，如果這些物質衰變時放射出的粒子撞擊探測器，可能給科學家帶來假陽性結果，從而阻礙科學發現。即使是由各種金屬建造而成的實驗裝置本身，也具有較輕的放射性成分。

但是，我們只需少許鉛就可以使探測器免受各種粒子輻射的搗亂，而其中一種屏蔽“不速之客”的最佳方法，就是用本身幾乎沒有放射性的鉛把探測器包圍起來。這種鉛的最佳來源恰好是海底的沉船，其中一些沉船已經被埋葬在沿海水域中長達兩千年之久。

粒子物理實驗試圖尋找宇宙最基本的組成部分，包括至今尚未被觀察到的暗物質，其作用類似于星系內部和星系之間的黏合劑。盡管這種古老的鉛將幫助人類揭開宇宙的奧秘，但要獲得這種鉛，經常會陷入現實和道德上的困境。

沉船中的鉛屬于一類自身放射性很低的材料，稱為“低背景輻射”材料。澳大利亞斯威本科技大學的天體物理學家艾倫?達菲（Alan Duffy）表示，關于低背景輻射材料還沒有統一的標準，但是根據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器，就需要保證這個蓋革計數器不會將自身放射的粒子計算進去。”

阻擋輻射的絕佳屏蔽物

以鋼鐵為例，鋼鐵是阻擋放射性粒子闖入實驗裝置的極好屏蔽物。因此，美國伊利諾伊州研究粒子物理的加速器實驗室——費米實驗室的歷史學家和檔案管理員瓦萊麗?希金斯（Valerie Higgins）透露，在過去幾十年中，使用了數噸特殊的鋼鐵作為實驗裝置的屏蔽物。這些特殊的鋼鐵通常來自退役軍艦，其中許多軍艦在第二次世界大戰或朝鮮戰爭前后就已建造好或服役過，包括“阿斯托里亞號”（Astoria）、“羅阿諾克號”（Roanoke）、“黃蜂號”（Wasp）、“菲律賓海號”（Philippine Sea）和“巴爾的摩號”（Baltimore）等軍艦。

這些戰爭爆發的時間很重要。1945年7月16日凌晨5時29分，人類有史以來第一顆原子彈在美國新墨西哥州約納達?德爾?穆爾托（Jornada del Muerto，西班牙語意為“死亡之旅”）沙漠爆炸。隨著原子能時代到來，隨后的每一顆核彈爆炸，都會向全世界釋放出更多的放射性沉降物。

達菲說，冷戰時期煉制鋼鐵的冶煉熔爐中都吸入了含有放射性污染物的大氣。這導致生產出來的鋼鐵制品具有放射性，使其不適用于許多物理實驗。

《全面禁止核試驗條約》公布，意味著當今世界上已較少有人為的放射性產生，即便如此，劑量很低的人為放射性仍足以讓鋼鐵制品吸入放射性粒子。低背景輻射的鋼鐵能在封閉的環境中制造，但通常成本很高。除此之外，低背景輻射鋼鐵的最佳來源是退役軍艦，并且建造時間要在“三位一體”核試驗在新墨西哥州大地上造成玻璃狀疤痕之前（譯注：核爆炸的高溫把沙的硅質晶體熔化后，再凝固形成玻璃狀結晶物質）。來自退役軍艦的鋼鐵不僅具有極低的放射性，而且非常便宜。

盡管來自沉船的鋼鐵可以很好地用于各種粒子物理實驗，但是在對暗物質的搜尋中，鉛仍然發揮著首屈一指的作用。

搜尋暗物質的神器

暗物質在宇宙所有物質中的占比達83%，就憑這一點，暗物質顯然值得研究，但科學家直到現在都沒有探測到它。為了搜尋這種難以捉摸的物質，科學家們建造了各種實驗裝置，試圖直接探測到暗物質，或者利用其他粒子的存在來證明暗物質的存在。許多暗物質探測裝置都建在地下深處，包括加拿大安大略省的薩德伯里中微子觀測站實驗室（SNOLAB）正在規劃建造的SuperCDMS探測器，以及西班牙比利牛斯山脈坎夫蘭克地下實驗室中正在運行的一些探測器。之所以建在地下，是因為這樣能屏蔽地表輻射對探測器產生的干擾。

由于這些探測器特別敏感，需要屏蔽周圍和環境中的粒子。每個暗物質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，達菲說：“你實質上需要先建造一個基礎的探測器，來檢測一下哪種屏蔽輻射的材料是最好的。”

加格解釋說，有時水箱或某種塑料就足以阻止像中子這樣的粒子意外撞擊探測器。但是，某些實驗裝置要阻擋伽馬射線，就可能需要銅或鉛。

海底古老的鉛就是理想的材料，不僅因為其不穩定的鉛同位素鉛-210經過幾個世紀的大大衰減后，會形成穩定的鉛-206，而且，海水還阻擋了宇宙射線（宇宙射線會促進物質的放射性）。卡拉普賴斯幫助設計過一些暗物質探測實驗裝置的部件，他正是因為深知這些鉛的非凡價值，所以當他獲悉一艘在新澤西海岸沉沒的古老西班牙船只上發現鉛后，才會想方設法獲取鉛樣品。

雖然那艘西班牙沉船上的鉛還沒有被打撈上來，不過，這種發現品的售賣都有套路。加格解釋說：“一些地下實驗室時不時地會說，‘嘿，這里有個機會能買到一堆古代的鉛，誰想買？’”如果這些沉沒在海底的鉛能回收，而且各方都非常感興趣，那么，這些材料就會被拍賣。

在歐洲的內海和周圍的海域，低背景輻射的鉛經常是從古羅馬時代的沉船中發現。這些鉛最初被鑄造成硬幣、建筑材料和戰爭武器，如今被打撈上來，而買家中就有粒子物理學家。

粒子物理學家的道德困境

一些考古學家已經公開質疑，以科學的名義犧牲考古寶藏是否值得。例如，從2010年開始，意大利的低溫地下罕見事件天文觀測臺（CUORE）就獲得了數百個鉛錠用于實驗，希望解決長期以來困擾科學家的難題——為什么是物質而不是反物質在宇宙中占據主導地位。這些鉛錠來自撒丁島沿海的一艘古羅馬沉船，該船只大約在2000年前沉沒，具有極高的考古學價值。沉船上的每一個鉛錠都鐫刻著能夠揭露其生產歷史的戳記。盡管從沉船上獲取的1 000個鉛錠中，大多數都完好無損，可以送到卡利亞里國家考古博物館進行研究，但其中的270個鉛錠被融化了，用于物理實驗。

2013年，當時是英國伯明翰大學考古學研究生的埃琳娜?佩雷斯-阿爾瓦羅（Elena Perez-Alvaro）注意到了這個道德困境。所有富含低背景輻射材料的古老水下沉船都會面臨這個困境，其中許多沉船都封存了人類歷史。聯合國教科文組織于2001年通過了《水下文化遺產保護公約》（Convention on the Protection of the Underwater Cultural Heritage），旨在防止這些水下沉船殘骸中的遺留物被清理干凈。但是，正如佩雷斯-阿爾瓦羅所指出的那樣，該公約存在一個盲點：盡管該公約要求保護沉船中的文化遺產免遭商業開發，但并沒有說明是否可以將其打撈上來用于科學研究。

2015年，在與日立劍橋實驗室的費爾南多?岡薩雷斯-薩爾瓦（Fernando Gonzalez-Zalba）合著的一篇論文中，佩雷斯-阿爾瓦羅得出結論，現在還沒有任何商業技術可以生產出科學家開展暗物質實驗研究所需的低背景輻射特質的鉛。因此，在研究人員看來，打撈這些古老的鉛是值得的，但應根據具體情況仔細分析這些物理學家的需求，以確定物理學家是否真的需要鉛而不是塑料或鋼。

“我們必須確立水下文化遺產保護的規則，我們必須堅守底線，”如今已是合法文化遺產公司（Licit Cultural Heritage）總經理的佩雷斯-阿爾瓦羅強調，“沉船上的文物并不是人們可以隨意挖掘的廢銅爛鐵。”不過，岡薩雷斯-薩爾瓦指出，到目前為止，還沒有任何一家有能力制定和實施這樣的保護規則的機構擔負起這項使命。

即使確實出現了這樣一個建議性的規則框架，規定了如何獲取和使用古代鉛和其他低背景輻射材料，也未必就能對沉船遺留物的打撈起到規范作用。

近年來，在馬來西亞、印度尼西亞和新加坡沿海地區，第二次世界大戰時期的軍艦殘骸逐漸消失了。這些軍艦中許多都是戰爭墳墓，里面甚至還有數百具人類的遺骸。這些軍艦被打撈人員非法拆解，其中一些打撈人員可能一直在尋找低背景輻射的鋼。盡管買家可能不想使用這些非法來源的低背景輻射材料，但是當他們收到這些材料時，他們可能也無法確定其出處了。

盡管從道德上來說，沒有任何地方像被洗劫過的戰爭墳墓這樣令人厭惡，但是，來自具有文化遺產價值的古老沉船的鉛，其來源也可能像來自沉船的鋼一樣，被類似地模糊過去了。“我猜，我們通常不會太在意材料的來源，不會在意到去確認其出處，”加格說，“人性就是這樣，我們更關心的是材料的成本。”

岡薩雷斯-薩爾瓦解釋說，羅馬帝國每年生產約8.8萬噸鉛，而很多物理實驗只需要其中一小部分。他說，對于低背景輻射材料的回收利用所面臨的道德困境，科學家們的相關意識和敏感性也正在增強。

達菲說，粒子物理學家在考慮所獲得的材料的來源時，應該首先想到這些材料是文化遺產。但是，他強調說，低背景輻射材料被“確定地”視為一種寶貴資源，并不會被隨意濫用。

岡薩雷斯-薩爾瓦懷疑，真正的危險來自蓬勃發展的微電子行業。每臺計算機和智能手機中的微型芯片，通常都需要低背景輻射的鉛構成的組件。他指出，盡管該行業可以使用新生產的鉛，但制造商通常會選擇古老的鉛，因為成本便宜一個數量級。“這種應用才是最讓我擔憂的，因為它是一種商業性的設備。”岡薩雷斯-薩爾瓦說。

但是，經過深思熟慮，粒子物理學家能在道德與實驗之間達到平衡。直到發現暗物質的那一刻之前，搜尋神秘的暗物質可能就像是希臘神話中的西西弗斯永無休止地滾石上山一樣，是一個永遠不會完結的任務。但是，如果我們真的發現了暗物質，這個發現將革命性地改變我們的未來。所以，很難想象會有很多人爭辯說，犧牲一小部分的歷史去追尋暗物質是不值得的。