作者： Robin George Andrews

翻譯： 紅豬

編輯： 遊識猷

2017年，英國倫敦大學學院的物理學家查穆考·格哈（Chamkaur Ghag）收到了一名西班牙同行發來的電郵，其中有一個誘人的提議。

此前一年，普林斯頓大學的榮休教授弗蘭克·卡拉普萊斯（Frank Calaprice）得知，新澤西外海有幾艘400~500年前的西班牙沉船，船上裝載的是一批鉛塊。卡拉普萊斯得到了這批鉛塊中的幾枚樣品，將它們送到西班牙比利牛斯山深處的一間實驗室去檢測放射性——不出所料，測出的結果很低。現在這批沉沒的鉛塊正在出售，任何一間物理學實驗室，只要肯出每千克20歐元的高價，就能把它們領走。

鉛在世界各地都可以開採冶煉，但是這批在沉船裏沉睡了千百年的古鉛，卻具有一種罕見的性質。因爲早已沉入深海，它們的天然放射性已經衰變到極低，早已不向外界發射粒子了。對於粒子物理學家，這個性質有着極高的價值。

“就有點像是金粉。”格哈說道。

沉船裏有古代寶藏，更有粒子物理學家夢寐以求的材料 | 圖蟲創意

粒子物理學家最頭痛的事，

放射性無處不在

說到放射性，別隻想到用來製造原子彈的鈈。事實上，許多日常物品都帶有不同程度的放射性，從陶瓷到玻璃，從金屬到香蕉。如果它們衰變時射出的粒子擊中粒子物理實驗探測器，就可能使科學家得到假陽性，成爲科學發現之路上的陷阱。即便是實驗設備本身，因爲是由各種金屬製成，也會放出輕微的輻射。

要爲探測器阻擋各種亂入的輻射，十幾釐米厚的鉛就能辦到。要阻擋不受歡迎的亂入粒子，最有效的辦法之一就是用本身極少輻射的鉛來圍住它們。這樣的鉛上哪裏找？答案正是沉船。有些鉛已經在海里泡了將近兩千年了。

粒子物理學實驗的目的，是尋找構成宇宙的最基本材料。暗物質就是其中之一，那是一種我們至今還未觀測到、卻宛如星系內部和星系之間的“粘合劑”的物質。水下的古代鉛塊可以幫助人類解開宇宙的奧祕，但要獲得它們並不容易，往往伴隨着實踐和倫理上的問題。

沉船裏的鉛塊屬於一類名爲“低本底材料”（low-background material）的物質，它們本身的放射性很低。到底怎樣纔算低本底材料，其實沒有一個公認的標準。但是根據某一次實驗對本底輻射的敏感程度，就很容易確定材料需要達到什麼輻射水平了。天體物理學家艾倫·達菲（Alan Duffy）指出：“比如你要做一隻蓋革計數器，它總不能檢測到一大堆自己的輻射。”

紅海，潛水員靠近建造於1940年、沉沒於1941年的英國軍艦SS Thistlegorm，當年的軍艦都是低本底鋼 | 圖蟲創意

以鋼爲例，鋼是一種能阻擋外來漫遊粒子的優秀材料。美國伊利諾伊州的費米實驗室是個粒子物理和加速器實驗室，在過去幾十年中就用了好幾噸鋼材來屏蔽其實驗裝置。這些鋼材往往來自退役的軍艦，其中許多都是在二戰或朝鮮戰爭期間建造或者服役的，包括阿斯托里亞號、羅諾克號、黃蜂號、菲律賓海號和巴爾的摩號。

爲什麼要用退役的軍艦呢？這和時間有關。

1945年7月16日早晨5點29分，美國新墨西哥州的沙漠裏，人類歷史上第一次核彈爆炸。原子時代的序幕就此拉開。在那之後，每次核彈爆炸時升起的巨大火球，都會將一陣放射性塵埃灑到世界各處。冷戰期間，鍊鋼高爐吸入了這些放射性的空氣污染物。輻射隨之注入了鍊鋼廠的最終產品，煉出的鋼鐵也就不適合用於許多物理學實驗。

禁止核試驗的公約簽訂後，世界上的人工放射性就開始慢慢衰減了，但這個世界的放射性依然很強，足以讓放射性粒子潛入鋼材內部。低本底鋼可以在密閉的環境中煉製，但成本往往很高，除此之外的最佳來源就是退役軍艦了，只要它們是在新墨西哥州的核爆試驗之前建造的就行。這樣的鋼材不僅放射性極低，價格也便宜得多。

不過，雖然鋼在各種粒子物理實驗中都有出色表現，尋找暗物質的實驗還是鉛的天下。

尋找暗物質，

需要放射性極低的鉛

星系的內部，星系與星系之間，都被暗物質提供的引力所束縛 | 圖蟲創意

暗物質佔到宇宙總物質的83％，顯然是值得研究的對象，問題是科學家目前還無法探測它們。爲了尋找這種難以捉摸的物質，科學家設計了各種實驗，目的要麼是直接探測暗物質，要麼是利用其他粒子證明暗物質的存在。

這類實驗許多都是在地下深處進行的，從加拿大安大略省的超低溫暗物質搜索實驗，到比利牛斯山坎夫蘭克地下實驗室中正在運行的探測器都是如此——由於深入地下，地表的輻射無法穿透進來，也就不會干擾探測器。

我國的錦屏極深地下暗物質實驗室（CJPL），就位於四川錦屏山地下2400米深處｜清華大學工程物理系網站

但因爲極度敏感，那些探測器還是需要和周圍的環境隔離開來。每項暗物質實驗能容忍的本底輻射都不同。爲了確定具體要求，常常需要製造一臺虛擬探測器，以確定最好的阻擋材料是什麼。

格哈解釋說，要預防中子這樣的粒子意外擊中探測器，有時一個水箱或是一些塑料就足夠。但有的實驗需要阻擋伽馬射線，這時就要用到銅或者鉛了。

沉入海中的古代鉛塊是理想的材料，因爲在千百年中，其中不穩定的鉛-210同位素已經大部分衰變成了穩定的鉛-206；還因爲大海爲它們阻擋了宇宙射線，不必擔心宇宙射線激發出物質的放射性。

卡拉普萊斯曾參與設計了幾個暗物質實驗，正是因爲上述原因，他纔對那批新澤西海外的西班牙沉鉛很感興趣。那批鉛塊還沒有打撈上來，但圍繞這類發現的買賣一貫很常見。格哈表示，每過一陣，就會有某個地下實驗室說：“現在有個機會能買到一大批古代鉛，有誰想買嗎？”接下來，如果這批沉沒的材料被成功回收、各方又有充分興趣的話，它們就會被拍賣。

在歐洲周圍水域，古羅馬時代的沉船中常會發現低本底鉛。它們最初被鑄造成硬幣、建材或是武器，到了現代又被打撈起來賣掉，買家就包括粒子物理學家。

但現在有考古學家公開質疑：以科學的名義犧牲考古學寶藏，這種做法是否值得。

比如2010年，意大利的低溫地下稀有事件觀測站就曾買進數百個鉛塊用於實驗，希望能以此解答長久以來的一個謎團：爲什麼在宇宙中佔多數的是物質，而不是反物質？這些鉛塊來自撒丁島海外的一艘羅馬古船，它在大約2000年前沉沒，具有很高的考古學價值。其中的每一塊鉛上都鐫刻了銘印，顯示了它們的生產歷史。雖然從船上撈起的1000個鉛塊中，大多數都保持原樣，送去了意大利卡利亞里的國家考古學博物館研究，但也有270塊被熔化後用於物理學實驗。

古羅馬鉛錠上的銘印，可以追溯出這批鉛錠的開採方與交易方 | INFN/Cagliari Archeological Superintendence

2013年，還在伯明翰大學讀考古研究生的埃莉娜·佩雷斯-阿爾瓦羅（Elena Perez-Alvaro）開始研究這個難題。她的研究包含所有裝載了大量低本底物質的珍貴水下沉船，它們許多都是記錄人類歷史的時間膠囊。2001年的《保護水下文化遺產公約》旨在防止這些古船的殘骸被搜刮乾淨。但這份公約裏有一個盲點：它只要求保護沉沒的文化遺產不被商業開採，卻沒有表態是否可以爲了科研用途而打撈它們。

2015年，在和費爾南多·岡薩雷斯-薩爾瓦（Fernando Gonzalez-Zalba）合寫的一篇論文中，佩雷斯-阿爾瓦羅斷定，還沒有一種商業技術，能生產出科學家在暗物質實驗中需要的那種鉛。因此從研究者的角度來說，打撈古鉛是必要的。不過也要根據具體案例開展謹慎的分析，以確定物理學家是真的需要鉛，而無法用塑料或鋼材代替。

1988年，潛水員發現了古羅馬沉船裏的鉛錠。鉛-210的半衰期是22年，這批鉛錠從古羅馬至今已經減半又減半了將近一百次，放射性幾近於無。| INFN/Cagliari Archeological Superintendence

“在這方面必須制定規則，明確邊界。”佩雷斯-阿爾瓦羅強調，“這可不是你隨便可以挖到的廢金屬。”但到今天爲止，還沒有一家有權實施這類規範的機構擔起這個責任。將來即使出現一個框架， 指導古代鉛和其他低本底物質的獲取和使用，它也未必能規範它們的開採。

近年來，許多二戰軍艦的殘骸正從馬來西亞、印尼和新加坡的外海消失，被打撈潛水員非法拆解。這些船隻許多都是戰爭墳場，裏面埋葬着數百具屍體。可能某些潛水員正是在尋找低本底鋼材。買家或許不想要非法獲取的低本底材料，但當他們收到這些材料時，也沒辦法確認它們的出處。

雖然從倫理上說，海底尋鉛遠不像掠奪戰爭墳場那樣令人反感。但是從具有重要文化意義的古代沉船上撈鉛，這種行爲也令人不好評價。

“我想物理學家們往往並不關心這個問題。”格哈說道，“我們只當它們是普通的鉛，我們更多關心的是價格。”

岡薩雷斯-薩爾瓦則表示，古羅馬人每年生產8.8萬噸鉛，許多實驗都只需動用其中很小的一部分。他說，對於開採低本底材料引起的道德兩難，科學家也越來越關注和在意了。

達菲說，粒子物理學家應該將文化遺產和他們材料的來源列爲首要考慮對象。但是他也強調，低本底材料“肯定會被當作”一種珍貴資源，不會被不加考慮地輕率濫用。

岡薩雷斯-薩爾瓦認爲，真正的威脅或許來自飛速發展的微電子產業。電腦和智能手機中的微芯片常常要用到低本底鉛。雖然微電子產業可以使用新生產的鉛，但生產廠家還是常常選用古鉛，因爲它們的成本要低一個數量級。“這纔是最令我擔心的應用，因爲這是一種商業應用，不是以人類共同利益爲目標的。”他說。

在經過深思熟慮之後，粒子物理學家還是能在道德和實用之間求得平衡的。追蹤神祕的暗物質彷彿西西弗斯推動大石頭，在成功之前都像是一場無止境的徒勞追尋。可是一旦我們找到暗物質，這樣的發現將會徹底改變人類的未來。到了那時，或許大多數人會同意一個觀點——這樣顛覆性的發現，值得用過去歷史的一些斷片去交換。

編譯來源：The Atlantic

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