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)無法被直接觀測到，要探測它們需要極低的背景輻射材料

2017年，英國物理學家加格因收到這樣一條消息而欣喜：市面上出現(xiàn)了一批價格相當誘人的來自一艘西班牙沉船的古代鉛。2016年，西班牙一家實驗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鉛船，經(jīng)測定，這批鉛的放射性相當?shù)汀?/p>

說到放射性，你可能會想起制造原子彈的钚。可事實上，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驗探測儀，讓科學家誤判結(jié)果。

暗物質(zhì)，是一種迄今為止仍來直接觀測到但又普遍存在于各星系內(nèi)外、起著黏合作用的物質(zhì)。科學家嘗試通過直接偵測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劃中的超低溫暗物質(zhì)探尋項目，還是在比利牛斯山地下實驗室運行中的暗物質(zhì)探測器群，它們統(tǒng)統(tǒng)建在地底深處，為的就是阻絕地表背景輻射，屏蔽背景輻射對探測儀器的干擾。

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（部分運鉛船甚至已經(jīng)沉沒了2000多年）的鉛，其天然放射性早已衰退，放射性極低，對人類探尋暗物質(zhì)十分有用。這也是科學家為何會對古鉛如此心動的主要原因。

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

其實，鋼鐵也是屏蔽輻射的優(yōu)秀材料。正因為鋼鐵本身優(yōu)良的屏蔽性，一些實驗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)部實驗的準確性。這些鋼材主要來源于退役的戰(zhàn)艦。不過，最為關鍵的是這些戰(zhàn)艦建造的時機——未受核污染。

然而，1945年7月16日上午5時29分，美國新墨西哥州的沙漠迎來了有史以來的首場核爆，人類就此進入原子時代。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，無法再被用于對背景輻射敏感的物理實驗。低背景鋼材則必須在密閉環(huán)境中生產(chǎn)，且往往造價不菲。

而在地球史上首場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，更因為其價格低廉，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數(shù)器科室，為了測量人體吸收的放射量級，必須用厚重的金屬密閉起來，以阻隔環(huán)境背景輻射對測量結(jié)果的干擾。美國于20世紀80年代設立了大量的全身計數(shù)器科室，其采用的最為廉價且穩(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，人們有時甚至會將遇難船舶擄走。其中最值得一提的是1919年在斯卡帕流被全數(shù)擊沉的德國公海艦隊的遺骸，其中的“威廉皇儲號”戰(zhàn)列艦的船板1974年被用于建造蘇格蘭某院的全身計數(shù)器科室。也有傳言稱，“藩侯號”戰(zhàn)列艦上的鋼材被用作了放射探測器，裝載在美國首顆衛(wèi)星“探險者1號”及隨后的太空探測器“旅行者1號”和“旅行者2號”上。

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

鉛本身不僅對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，不僅是因為它本身不穩(wěn)定的鉛-210經(jīng)歷數(shù)世紀后大幅衰變成了穩(wěn)定的鉛-206，更是因為深海也讓這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)蘊藏的低背景鉛材，主要來自古羅馬時期的沉船。它們原本被鑄造成了硬幣、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，被認為極具考古價值。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驗。在實驗人員看來，將打撈上來的沉船鉛用于科研并不浪費。但許多科學家還是倡議，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，物理實驗需要的不過是九牛一毛。對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)。每臺電腦和智能手機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，有人認為這種將歷史文物消耗在商業(yè)用途上的行徑，對人類是毫無裨益的。

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。到時恐怕不會再有多少人會堅持認為犧牲部分歷史文物對人類是毫無裨益的。

2007年在巴旺島附近，一支勘探潛水隊發(fā)現(xiàn)了第二次世界大戰(zhàn)中被擊沉的英國皇家海軍“埃克塞特號”輕型巡洋艦的遺骸。十年后，當另一支潛水隊再次前往該船沉沒地點考察，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的杰作。僅僅借助小漁船跟空氣壓縮機，他們硬是在不到十年的時間里，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，能在回收市場上賣個好價，但似乎不足以解釋整艘戰(zhàn)艦的憑空消失。有人猜測，“埃克塞特號”的殘骸可能流入了鮮為人知卻利潤豐厚的低背景鋼材市場。

不過，對低背景鋼材的需求近年來日益萎縮。隨著鋼鐵冶煉技術普遍從貝塞麥煉鋼法改進為氧氣轉(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)的進步，科學儀器也能夠?qū)τ坞x放射污染造成的誤差進行自動補償。這意味著，除了中微子探測器這類最敏感的儀器，其他儀器都不再需要低背景鋼材了。