沉船古鉛與暗物質(zhì)探索

劉小康

背景輻射量極低的沉船古鉛

暗物質(zhì)無法被直接觀測(cè)到，要探測(cè)它們需要極低的背景輻射材料

2017年，英國(guó)物理學(xué)家加格因收到這樣一條消息而欣喜：市面上出現(xiàn)了一批價(jià)格相當(dāng)誘人的來自一艘西班牙沉船的古代鉛。2016年，西班牙一家實(shí)驗(yàn)室的研究人員們也因收到了一批新發(fā)現(xiàn)的古代鉛而開心不已;這批鉛來自一艘沉沒于四五百年前的西班牙運(yùn)鉛船，經(jīng)測(cè)定，這批鉛的放射性相當(dāng)?shù)汀?/p>

說到放射性，你可能會(huì)想起制造原子彈的钚?？墒聦?shí)上，從陶瓷、玻璃到金屬乃至香蕉，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。這些元素在自身衰變過程中不斷釋放出粒子，足以干擾精密的粒子物理實(shí)驗(yàn)探測(cè)儀，讓科學(xué)家誤判結(jié)果。

暗物質(zhì)，是一種迄今為止仍來直接觀測(cè)到但又普遍存在于各星系內(nèi)外、起著黏合作用的物質(zhì)?？茖W(xué)家嘗試通過直接偵測(cè)或通過其他粒子的表現(xiàn)來尋找暗物質(zhì)。在尋找的過程中，不論是加拿大安大略省計(jì)劃中的超低溫暗物質(zhì)探尋項(xiàng)目，還是在比利牛斯山地下實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行中的暗物質(zhì)探測(cè)器群，它們統(tǒng)統(tǒng)建在地底深處，為的就是阻絕地表背景輻射，屏蔽背景輻射對(duì)探測(cè)儀器的干擾。

為屏蔽種種防不勝防的放射粒子，最有效的手段之一就是使用低放射性的鉛。這些在水下沉眠了數(shù)世紀(jì)（部分運(yùn)鉛船甚至已經(jīng)沉沒了2000多年）的鉛，其天然放射性早已衰退，放射性極低，對(duì)人類探尋暗物質(zhì)十分有用。這也是科學(xué)家為何會(huì)對(duì)古鉛如此心動(dòng)的主要原因。

自1945年后，全世界生產(chǎn)的鋼材都不可避免地受到核試驗(yàn)釋放的放射性同位素影響

其實(shí)，鋼鐵也是屏蔽輻射的優(yōu)秀材料。正因?yàn)殇撹F本身優(yōu)良的屏蔽性，一些實(shí)驗(yàn)室在過去的幾十年間已經(jīng)投入了數(shù)噸低背景輻射的古老鋼材，用來保證內(nèi)部實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。這些鋼材主要來源于退役的戰(zhàn)艦。不過，最為關(guān)鍵的是這些戰(zhàn)艦建造的時(shí)機(jī)——未受核污染。

然而，1945年7月16日上午5時(shí)29分，美國(guó)新墨西哥州的沙漠迎來了有史以來的首場(chǎng)核爆，人類就此進(jìn)入原子時(shí)代。在此后接踵而來的蘑菇云中，更多的放射性粉塵散播到世界各地。在此期間，世界各地的煉鋼高爐則將放射性大氣污染物吞了進(jìn)去，這造成最終的鋼材成品都或多或少具有放射性，無法再被用于對(duì)背景輻射敏感的物理實(shí)驗(yàn)。低背景鋼材則必須在密閉環(huán)境中生產(chǎn)，且往往造價(jià)不菲。

而在地球史上首場(chǎng)成功的核爆之前建造的各艘戰(zhàn)艦，其本身鋼材沒有遭受過核污染、放射水平極低，更因?yàn)槠鋬r(jià)格低廉，成為低背景鋼材的不二之選。譬如醫(yī)院或核電廠的全身計(jì)數(shù)器科室，為了測(cè)量人體吸收的放射量級(jí)，必須用厚重的金屬密閉起來，以阻隔環(huán)境背景輻射對(duì)測(cè)量結(jié)果的干擾。美國(guó)于20世紀(jì)80年代設(shè)立了大量的全身計(jì)數(shù)器科室，其采用的最為廉價(jià)且穩(wěn)定的低背景鋼材主要就來自1945年之前制造的軍艦。

為了獲取低背景鋼材，人們有時(shí)甚至?xí)⒂鲭y船舶擄走。其中最值得一提的是1919年在斯卡帕流被全數(shù)擊沉的德國(guó)公海艦隊(duì)的遺骸，其中的“威廉皇儲(chǔ)號(hào)”戰(zhàn)列艦的船板1974年被用于建造蘇格蘭某院的全身計(jì)數(shù)器科室。也有傳言稱，“藩侯號(hào)”戰(zhàn)列艦上的鋼材被用作了放射探測(cè)器，裝載在美國(guó)首顆衛(wèi)星“探險(xiǎn)者1號(hào)”及隨后的太空探測(cè)器“旅行者1號(hào)”和“旅行者2號(hào)”上。

雖然鋼材在各類粒子物理實(shí)驗(yàn)中被廣泛采用.但在人類探尋暗物質(zhì)的過程中，鉛才是最受青睞的材料。盡管有時(shí)水箱或塑料就足以屏蔽中子之類的粒子偶然撞擊探測(cè)儀，但要為一些實(shí)驗(yàn)儀器屏蔽伽馬射線就必須用到锏或鉛。

鉛本身不僅對(duì)大氣放射性污染敏感，還可能被放射性同位素鉛-210自然污染。20世紀(jì)80年代，屯子制造商發(fā)現(xiàn)，普通鉛材形成的游離輻射污染會(huì)影響微芯片的制造。為獲取適用的低背景鉛，制造商甚至拆解了400年前的中世紀(jì)彩繪玻璃窗，用新近的鉛置換出古代的鉛。深埋的古鉛材之所以能成為理想的輻射屏蔽材料，不僅是因?yàn)樗旧聿环€(wěn)定的鉛-210經(jīng)歷數(shù)世紀(jì)后大幅衰變成了穩(wěn)定的鉛-206，更是因?yàn)樯詈Ｒ沧屵@些鉛材免受宇宙射線的輻射，不被激發(fā)放射性。

歐洲內(nèi)外的各水域內(nèi)蘊(yùn)藏的低背景鉛材，主要來自古羅馬時(shí)期的沉船。它們?cè)颈昏T造成了硬幣、建材和兵器，現(xiàn)在卻被主要出售給了粒子物理學(xué)家。

從2010年開始，意大利人為了研究“為何是物質(zhì)而非反物質(zhì)占據(jù)了宇宙的絕大部分”這一持久的謎題，已經(jīng)用掉了數(shù)百塊古代鉛錠。這批鉛錠源于2000年前沉沒在撒丁海岸的一艘羅馬艦，被認(rèn)為極具考古價(jià)值。其中每塊鉛錠上都烙著印記，表明了它們的鍛造歷程。打撈出水后，這1000塊鉛錠中的絕大多數(shù)都被完好保存，并被意大利國(guó)家考古博物館用于研究，但其中的270塊鉛錠則被熔掉以用于物理實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)人員看來，將打撈上來的沉船鉛用于科研并不浪費(fèi)。但許多科學(xué)家還是倡議，只要能用塑料或鋼材替代屏蔽材料，就盡可能不要使用珍貴的沉船鉛錠。

一些科學(xué)家甚至從鉛玻璃中提取古鉛

古羅馬的年均鉛產(chǎn)量為8.8萬噸，物理實(shí)驗(yàn)需要的不過是九牛一毛。對(duì)于這些含鉛的古老文物來說，真正的威脅或許來自新興的微電子產(chǎn)業(yè)。每臺(tái)電腦和智能手機(jī)都不可或缺的微芯片，越來越多地采用了低背景鉛組件。雖然微電子產(chǎn)業(yè)可以使用新近生產(chǎn)的低背景輻射鉛材，但古代鉛材便宜得多。不過，有人認(rèn)為這種將歷史文物消耗在商業(yè)用途上的行徑，對(duì)人類是毫無裨益的。

雖然在真正找到神秘的暗物質(zhì)之前，對(duì)它的追尋像是徒勞無益的苦差，而一旦發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)，人類的未來將被徹底改寫。到時(shí)恐怕不會(huì)再有多少人會(huì)堅(jiān)持認(rèn)為犧牲部分歷史文物對(duì)人類是毫無裨益的。

2007年在巴旺島附近，一支勘探潛水隊(duì)發(fā)現(xiàn)了第二次世界大戰(zhàn)中被擊沉的英國(guó)皇家海軍“?？巳靥?hào)”輕型巡洋艦的遺骸。十年后，當(dāng)另一支潛水隊(duì)再次前往該船沉沒地點(diǎn)考察，卻驚訝地發(fā)現(xiàn)沉船不翼而飛。這并非超自然力量作祟，而是印度尼西亞非法打撈隊(duì)的杰作。僅僅借助小漁船跟空氣壓縮機(jī)，他們硬是在不到十年的時(shí)間里，生生取走了近萬噸重的殘骸。雖說戰(zhàn)艦含有大量青銅、黃銅、純銅及其他有色金屬，能在回收市場(chǎng)上賣個(gè)好價(jià)，但似乎不足以解釋整艘戰(zhàn)艦的憑空消失。有人猜測(cè)，“?？巳靥?hào)”的殘骸可能流入了鮮為人知卻利潤(rùn)豐厚的低背景鋼材市場(chǎng)。

不過，對(duì)低背景鋼材的需求近年來日益萎縮。隨著鋼鐵冶煉技術(shù)普遍從貝塞麥煉鋼法改進(jìn)為氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼，煉鋼過程已經(jīng)不再使用來自大氣層的空氣，而是采用已經(jīng)分離了放射性元素的純氧;而隨著電子工業(yè)的進(jìn)步，科學(xué)儀器也能夠?qū)τ坞x放射污染造成的誤差進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償。這意味著，除了中微子探測(cè)器這類最敏感的儀器，其他儀器都不再需要低背景鋼材了。