宇宙射線與金字塔

瑪雅人仰望銀河系——劃過夜空的一個模糊的帶狀區域，看見了“宇宙魔獸”——似乎在流動著的一條“雙頭蛇”。有時候，瑪雅人會把這條“雙頭蛇”跟云、水和雨聯系起來。而對現代天文學家來說，銀河系是一個旋轉的星云盤，其中包含著數十億顆恒星，從褐矮星到紅巨星，這些恒星被分為十幾個類別。不過，銀河系確實在下“雨”，一種由高能宇宙射線組成的、綿延不斷的“雨”。物理學家和考古學家正在搜集這種“宇宙雨”，試圖透過它來窺探瑪雅和其他已經消失的文明。

美國得克薩斯州奧斯丁大學，在曾經是低能物理實驗室的一棟建筑中，粒子物理學家羅伊·休維特斯正站在地面的一個大洞旁。洞旁有橘色的安全防護網，洞中則是一個鋁制的圓筒。看上去，這個圓筒沒有什么特別之處，直徑1.5米多一點，高4米多，有點像躺在發射井里的一枚導彈。不過，你可千萬別小看了這個圓筒，它實際上是一部粒子探測器。

如果不是因為冷戰已經結束，不然的話，耗資120億美元、長度超過85千米的“超導超級碰撞機”將成為比新近建成的歐洲“大型強子對撞機”功率更強大的全球最大型的粒子加速器。但是，冷戰結束，美國國會在1993年切斷了巨額注資。曾經參與“超導超級碰撞機”項目的休維特斯不得不承認，隨著“超導超級碰撞機”的死亡，純粹的粒子物理學已經漸失魅力。于是，他把目光轉向粒子探測器在其他科學領域中的應用。眼下，休維特斯及同校的考古學家弗雷德·瓦爾德茲正打算用原本用來檢測宇宙射線的粒子探測器來“透視”瑪雅金字塔的內部結構。

宇宙射線和金字塔？這兩個看起來風馬牛不相及的概念是如何聯系在一起的呢？

宇宙射線主要由被恒星爆發（或稱超新星）加速到接近光速的質子構成，這些質子跟地球大氣層中的原子相撞后，分裂成快速衰減的粒子流，到達地球表面時它們已經主要由介子構成。什么是介子？它們很像是重電子，幾乎不能跟其他原子的原子核相互作用。介子也被稱作“幽靈粒子”，因為它們能飛快地穿過物體。介子的壽命達2.2微秒，這使它們成為宇宙粒子隊伍中的“壽星”，也使它們長命得足以穿越地球大氣層并到達地球表面。實際上，我們每個人都時刻沐浴在介子的海洋之中。隨著介子穿越包括人在內的所有物體，它們就會敲掉其他原子的電子，損失一點點能量，并留下帶電的痕跡，就像噴氣式飛機在空中飛過時留下飛行云跡一樣。不難理解，穿越的材料密度越大，介子損失的能量也就越多，直到它們最終消失無蹤。

休維特斯的粒子探測器的工作原理是：稠密材料能阻擋更多的介子。例如，把探測器放在一座金字塔的旁邊，它就會“看見”來自金字塔方向的介子比來自其他角度的少，這就是所謂的“介子陰影”現象。假如金字塔內部的某個部分比預料的密度低（例如那里有一間空室），那么造成的“介子陰影”就會更少。通過計量在好幾個月中穿過金字塔的介子數量，就能繪制出金字塔的內部結構圖，這就好比光在底片上成像一樣。如果有幾部介子探測器同時工作，就可以得出更精細的金字塔內部結構，例如壕溝等。

跟其他用于考古研究的地球物理測試方法（例如穿地雷達）相比，介子探測法的優勢在于，它能夠制作精度比其他任何方法都高的三維圖像。

休維特斯在自己的工作室的屋頂進行金字塔模擬探測。他在屋頂堆了三堆磚頭：兩堆含鉛的重型磚之間夾著一堆輕型磚。介子以大約為每分鐘每平方厘米1個的速度，穿過包括這些磚頭在內的所有物體。安裝在屋頂下的工作室各處的探測器感知并計量著穿過的介子數量。這些數據經過處理后，形成了一張粗略的圖像——兩個密度較高的物體圍著一個密度較低的物體。實驗證明，介子探測器“看”到了來自各個方向的“介子陰影”。簡言之，介子探測器為周圍的建筑物拍了一張“X光片”。

其實，運用介子探測器來掃描古代建筑的想法并不新奇。早在40多年前，諾貝爾物理獎得主、美國科學家路易斯·阿瓦雷茲就把一部介子探測器放到了埃及卡夫拉金字塔的下面。

阿瓦雷茲是美國加州大學物理學教授，曾參與著名的“曼哈頓工程”，并因在粒子物理學方面的貢獻而獲得諾貝爾獎。除了探索物理世界的秘密，阿瓦雷茲還熱衷于探索真實世界的秘密：他曾把自己的分析能力用于破解美國前總統肯尼迪被暗殺之謎；他和兒子沃特（地理學家）曾幫助尋找小行星在6500萬年前滅絕恐龍的證據；而其中最著名的是，他曾運用宇宙粒子來探索埃及卡夫拉金字塔中的“秘密墓室”。

卡夫拉是古埃及著名法老胡夫的兒子，他為自己修建的金字塔位于埃及首都開羅附近的吉薩高地上，與胡夫金字塔、孟卡拉（系胡夫的孫子）金字塔一起，并稱為“大金字塔”。

上世紀60年代末，阿瓦雷茲獲準進入卡夫拉金字塔下面的一間潮濕的地下室。當時有人懷疑，跟胡夫金字塔一樣，卡夫拉金字塔的內部也有秘密墓室。為了探明真相，阿瓦雷茲帶領一個科學小組在這座金字塔的地下室中安裝了一部名為“火花室”的介子探測器。

不巧的是，1967年，當他們剛剛打開這部探測器的開關時，以色列空軍就轟炸了埃及首都開羅附近的機場，從而引發了為期6天的中東戰爭。以阿瓦雷茲為首的美國科學小組很自然地被埃及方面列為懷疑對象，畢竟，由支持以色列的美國派來的這些人正在埃及最著名的紀念碑之一的下面搗騰，何況這部介子探測器看上去像極了科幻片《星球大戰》里的東西。

多位美國科學家因為拍照而被捕，介子探測器也被下令關閉。不久，阿瓦雷茲等人被驅逐出境，只有一名小組成員獲準留在那間地下室里繼續進行實驗。一年后的一天，這位小組成員突然發現了異常情況——卡夫拉金字塔的一個區域阻擋的介子數量比預期的少。這是否意味著卡夫拉金字塔中真的有秘密墓室？

得知消息，阿瓦雷茲在24小時后即飛抵開羅。他經過檢查發現，是某個環節出了問題，導致了這種異常情況的發生。經過仔細分析、整理探測數據，阿瓦雷茲給出結論：卡夫拉金字塔中根本沒有什么密室。

阿瓦雷茲的工作大大地擴展了介子探測器的應用范圍。之后又有科學家進行了同樣的嘗試：一個墨西哥小組計劃在墨西哥狄奧提瓦干的太陽金字塔上重復阿瓦雷茲當年的試驗；意大利物理學家設計了一種小型介子探測器，可以放入考古探洞中工作；美國科學家運用介子搜索集裝箱里的放射性材料；日本科學家將介子應用于研究火山內部結構。

現在，休維特斯又打算用介子探測器探測瑪雅金字塔。不過，以往的介子探測器的操作十分繁復，而且體積龐大，有些大得就像一輛貨車，根本不可能搬到叢林里去探索瑪雅金字塔。為此，他設計了重量僅為90多千克的圓筒型介子探測器。這種探測器的一大特點是：可以進行各個方向的探測，而不像“火花室”那樣僅僅只是往上看。因此，這種圓筒探測器可以被放在一座建筑的周圍而非下面進行工作。按照休維特斯的估計，只需幾部探測器同時工作半年，它們就能“畫”出金字塔內部的空腔，而使用阿瓦雷茲的“火花室”則要花上一年。

休維特斯和瓦爾德茲選擇位于拉米爾帕的瑪雅金字塔作為試驗地點。拉米爾帕是瑪雅第三大城市，擁有非同尋常的興衰故事。公元1世紀，這里只有一些村落。到5世紀，由村落發展成為一個城邦國。但不知何故，這個王國很快又縮減成了只有一個村落大小。到公元7世紀末，這里再次發生人口爆炸，很可能有多達50000人。不過，在公元830～850年期間的某個時候，此地再度被拋棄，而當時這里正在如火如荼地修建王室宮殿。

自1992年以來，美國考古學家一直在拉米爾帕進行考古發掘，并且已經復原了拉米爾帕的大部分歷史。但是，這個王國仍有許多謎題待解，比如“它為什么會突然衰敗”。是因為戰爭？還是因為連年大旱，拉米爾帕人不得不全體背井離鄉？或者是因為急劇膨脹的人口導致該地區有限的資源枯竭，從而逼迫當地人另尋生計？來自金字塔的證據或許能提供一些線索。這里有3000多座金字塔及其他建筑物，答案一定隱藏其中。

可以預見的是，休維特斯的介子探測試驗將有助于更準確、更省時、更省錢地確定在何處挖掘探溝，這樣可以盡可能地減少對古跡的破壞。如果一切順利，3～4部介子探測器將在拉米爾帕工作半年，探測數據將通過衛星發送到休維特斯在得克薩斯的工作室。

和大多數古代瑪雅人一樣，拉米爾帕人也是專注的“望天人”。如今，科學家采用天文觀測方式來“觀望”古代瑪雅人。換句話說，長命的“幽靈粒子”（盡管壽命只有2.2微秒）將告訴我們短命的繁華城市（盡管它存在了150年）的興衰故事，而這些“幽靈”正是來自瑪雅人想象中的“宇宙魔獸”。這，的確很有意思。