不好！为了一点铅，物理学家和考古学家打起来了！

2017年，英国伦敦大学学院的物理学家查穆考·格哈（Chamkaur Ghag）收到了一名西班牙同行发来的电邮，其中有一个诱人的提议。

此前一年，普林斯顿大学的荣休教授弗兰克·卡拉普莱斯（Frank Calaprice）得知，新泽西外海有几艘400~500年前的西班牙沉船，船上装载的是一批铅块。卡拉普莱斯得到了这批铅块中的几枚样品，将它们送到西班牙比利牛斯山深处的一间实验室去检测放射性——不出所料，测出的结果很低。现在这批沉没的铅块正在出售，任何一间物理学实验室，只要肯出每千克20欧元的高价，就能把它们领走。

铅在世界各地都可以开采冶炼，但是这批在沉船里沉睡了千百年的古铅，却具有一种罕见的性质。因为早已沉入深海，它们的天然放射性已经衰变到极低，早已不向外界发射粒子了。对于粒子物理学家，这个性质有着极高的价值。 “就有点像是金粉。”格哈说道。

沉船里有古代宝藏， 更有粒子物理学家梦寐以求的材料 | 图虫创意

粒子物理学家最头痛的事，

放射性无处不在

说到放射性，别只想到用来制造原子弹的钚。事实上，许多日常物品都带有不同程度的放射性，从陶瓷到玻璃，从金属到香蕉。如果它们衰变时射出的粒子击中粒子物理实验探测器，就可能使科学家得到假阳性，成为科学发现之路上的陷阱。即便是实验设备本身，因为是由各种金属制成，也会放出轻微的辐射。 要为探测器阻挡各种乱入的辐射，十几厘米厚的铅就能办到。要阻挡不受欢迎的乱入粒子，最有效的办法之一就是用本身极少辐射的铅来围住它们。这样的铅上哪里找？答案正是沉船。有些铅已经在海里泡了将近两千年了。 粒子物理学实验的目的，是寻找构成宇宙的最基本材料。暗物质就是其中之一，那是一种我们至今还未观测到、却宛如星系内部和星系之间的“粘合剂”的物质。水下的古代铅块可以帮助人类解开宇宙的奥秘，但要获得它们并不容易，往往伴随着实践和伦理上的问题。 沉船里的铅块属于一类名为“低本底材料”（low-background material）的物质，它们本身的放射性很低。到底怎样才算低本底材料，其实没有一个公认的标准。但是根据某一次实验对本底辐射的敏感程度，就很容易确定材料需要达到什么辐射水平了。天体物理学家艾伦·达菲（Alan Duffy）指出：“比如你要做一只盖革计数器，它总不能检测到一大堆自己的辐射。”

红海，潜水员靠近建造于1940年、沉没于1941年的 英国 军舰SS Thistlegorm， 当年的军舰都是低本底钢 | 图虫创意

以钢为例，钢是一种能阻挡外来漫游粒子的优秀材料。美国伊利诺伊州的费米实验室是个粒子物理和加速器实验室，在过去几十年中就用了好几吨钢材来屏蔽其实验装置。 这些钢材往往来自退役的军舰，其中许多都是在二战或朝鲜战争期间建造或者服役的，包括阿斯托里亚号、罗诺克号、黄蜂号、菲律宾海号和巴尔的摩号。　　

为什么要用退役的军舰呢？这和时间有关。

1945年7月16日早晨5点29分，美国新墨西哥州的沙漠里，人类历史上第一次核弹爆炸。原子时代的序幕就此拉开。 在那之后，每次核弹爆炸时升起的巨大火球，都会将一阵放射性尘埃洒到世界各处。冷战期间，炼钢高炉吸入了这些放射性的空气污染物。 辐射随之注入了炼钢厂的最终产品，炼出的钢铁也就不适合用于许多物理学实验。

禁止核试验的公约签订后，世界上的人工放射性就开始慢慢衰减了，但这个世界的放射性依然很强，足以让放射性粒子潜入钢材内部。 低本底钢可以在密闭的环境中炼制，但成本往往很高，除此之外的最佳来源就是退役军舰了，只要它们是在新墨西哥州的核爆试验之前建造的就行。这样的钢材不仅放射性极低，价格也便宜得多。

不过， 虽然钢在各种粒子物理实验中都有出色表现，寻找暗物质的实验还是铅的天下。

寻找暗物质，

需要放射性极低的铅

星系的内部，星系与星系之间， 都被暗物质提供的引力所束缚| 图虫创意

暗物质占到宇宙总物质的83％ ，显然是值得研究的对象，问题是科学家目前还无法探测它们。为了寻找这种难以捉摸的物质，科学家设计了各种实验，目的要么是直接探测暗物质，要么是利用其他粒子证明暗物质的存在。

这类实验许多都是在地下深处进行的，从加拿大安大略省的超低温暗物质搜索实验，到比利牛斯山坎夫兰克地下实验室中正在运行的探测器都是如此——由于深入地下，地表的辐射无法穿透进来，也就不会干扰探测器。

我国的锦屏极深地下暗物质实验室（CJPL）， 就位于四川锦屏山地下2400米深处 ｜清华大学工程物理系网站

但因为极度敏感，那些探测器还是需要和周围的环境隔离开来。 每项暗物质实验能容忍的本底辐射都不同。为了确定具体要求，常常需要制造一台虚拟探测器，以确定最好的阻挡材料是什么。 格哈解释说，要预防中子这样的粒子意外击中探测器，有时一个水箱或是一些塑料就足够。但有的实验需要阻挡伽马射线，这时就要用到铜或者铅了。 沉入海中的古代铅块是理想的材料，因为在千百年中，其中不稳定的铅-210同位素已经大部分衰变成了稳定的铅-206；还因为大海为它们阻挡了宇宙射线，不必担心宇宙射线激发出物质的放射性。

卡拉普莱斯曾参与设计了几个暗物质实验，正是因为上述原因，他才对那批新泽西海外的西班牙沉铅很感兴趣。那批铅块还没有打捞上来，但围绕这类发现的买卖一贯很常见。格哈表示，每过一阵，就会有某个地下实验室说：“现在有个机会能买到一大批古代铅，有谁想买吗？”接下来，如果这批沉没的材料被成功回收、各方又有充分兴趣的话，它们就会被拍卖。 在欧洲周围水域，古罗马时代的沉船中常会发现低本底铅。它们最初被铸造成硬币、建材或是武器，到了现代又被打捞起来卖掉，买家就包括粒子物理学家。 但现在有考古学家公开质疑：以科学的名义牺牲考古学宝藏，这种做法是否值得。

比如2010年，意大利的低温地下稀有事件观测站就曾买进数百个铅块用于实验，希望能以此解答长久以来的一个谜团：为什么在宇宙中占多数的是物质，而不是反物质？这些铅块来自撒丁岛海外的一艘罗马古船，它在大约2000年前沉没，具有很高的考古学价值。其中的每一块铅上都镌刻了铭印，显示了它们的生产历史。虽然从船上捞起的1000个铅块中，大多数都保持原样，送去了意大利卡利亚里的国家考古学博物馆研究，但也有270块被熔化后用于物理学实验。

古罗马铅锭上的铭印，可以追溯出这批铅锭的 开采方与交易方| INFN/Cagliari Archeological Superintendence

2013年，还在伯明翰大学读考古研究生的埃莉娜·佩雷斯-阿尔瓦罗（Elena Perez-Alvaro）开始研究这个难题。她的研究包含所有装载了大量低本底物质的珍贵水下沉船，它们许多都是记录人类历史的时间胶囊。2001年的《保护水下文化遗产公约》旨在防止这些古船的残骸被搜刮干净。但这份公约里有一个盲点：它只要求保护沉没的文化遗产不被商业开采，却没有表态是否可以为了科研用途而打捞它们。 2015年，在和费尔南多·冈萨雷斯-萨尔瓦（Fernando Gonzalez-Zalba）合写的一篇论文中，佩雷斯-阿尔瓦罗断定，还没有一种商业技术，能生产出科学家在暗物质实验中需要的那种铅。因此从研究者的角度来说，打捞古铅是必要的。不过也要根据具体案例开展谨慎的分析，以确定物理学家是真的需要铅，而无法用塑料或钢材代替。

1988年，潜水员发现了古罗马沉船里的铅锭。 铅-210的半衰期是22年，这批铅锭 从古罗马至今 已经减半又减半了将近一百次， 放 射性几近于无。 | INFN/Cagliari Archeological Superintendence

“在这方面必须制定规则，明确边界。”佩雷斯-阿尔瓦罗强调，“这可不是你随便可以挖到的废金属。”但到今天为止，还没有一家有权实施这类规范的机构担起这个责任。将来即使出现一个框架， 指导古代铅和其他低本底物质的获取和使用，它也未必能规范它们的开采。 近年来，许多二战军舰的残骸正从马来西亚、印尼和新加坡的外海消失，被打捞潜水员非法拆解。这些船只许多都是战争坟场，里面埋葬着数百具尸体。可能某些潜水员正是在寻找低本底钢材。买家或许不想要非法获取的低本底材料，但当他们收到这些材料时，也没办法确认它们的出处。 虽然从伦理上说，海底寻铅远不像掠夺战争坟场那样令人反感。但是从具有重要文化意义的古代沉船上捞铅，这种行为也令人不好评价。

“我想物理学家们往往并不关心这个问题。”格哈说道，“我们只当它们是普通的铅，我们更多关心的是价格。” 冈萨雷斯-萨尔瓦则表示，古罗马人每年生产8.8万吨铅，许多实验都只需动用其中很小的一部分。他说，对于开采低本底材料引起的道德两难，科学家也越来越关注和在意了。 达菲说，粒子物理学家应该将文化遗产和他们材料的来源列为首要考虑对象。但是他也强调，低本底材料“肯定会被当作”一种珍贵资源，不会被不加考虑地轻率滥用。 冈萨雷斯-萨尔瓦认为，真正的威胁或许来自飞速发展的微电子产业。电脑和智能手机中的微芯片常常要用到低本底铅。虽然微电子产业可以使用新生产的铅，但生产厂家还是常常选用古铅，因为它们的成本要低一个数量级。“这才是最令我担心的应用，因为这是一种商业应用，不是以人类共同利益为目标的。”他说。　 在经过深思熟虑之后，粒子物理学家还是能在道德和实用之间求得平衡的。追踪神秘的暗物质仿佛西西弗斯推动大石头，在成功之前都像是一场无止境的徒劳追寻。可是一旦我们找到暗物质，这样的发现将会彻底改变人类的未来。到了那时，或许大多数人会同意一个观点——这样颠覆性的发现，值得用过去历史的一些断片去交换。

作者：Robin George Andrews 翻译：红猪 编辑：游识猷 编译来源：The Atlantic

一个AI

珍惜地摸了摸自己芯片里的低本底铅……
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