古羅馬沉船發(fā)現(xiàn)大量金屬塊，考古學(xué)家和物理學(xué)家搶起來(lái)了……

1988 年，在距離意大利撒丁島海岸約 10 千米處的海底，潛水員正不斷下潛，試圖尋找沉船遺跡。當(dāng)他們下潛到 28 米深處，突然發(fā)現(xiàn)了一艘沉船的輪廓。

自航海時(shí)代開(kāi)啟以來(lái)，海洋已經(jīng)吞噬了無(wú)數(shù)船只。這些沉船封存著不同年代的寶藏與歷史，每發(fā)現(xiàn)一艘都會(huì)引起海洋考古學(xué)家的極大興趣，這是他們重現(xiàn)過(guò)去的最佳線索。

通過(guò)船上陶罐的形狀，考古學(xué)家判定，這是一艘古羅馬沉船。古羅馬文明距今已有兩千多年，時(shí)間和海水摧毀了大部分木質(zhì)結(jié)構(gòu)，但一些耐腐蝕的石器與金屬制品依然保存完好。盡管在意大利附近的海底發(fā)現(xiàn)古羅馬沉船不足為奇，這艘船卻很特別，它比絕大部分沉船要大得多，也堅(jiān)固得多。

從撒丁島海域的沉船遺跡回收鉛錠。圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[9]

考古學(xué)家發(fā)現(xiàn)了這艘船如此堅(jiān)固的原因——船內(nèi)裝載了大量金屬條，足足一千多塊鉛錠，也就是約 33 噸的金屬，是當(dāng)時(shí)在沉船發(fā)掘中最多的一次。對(duì)于這些沉甸甸的“寶藏”，考古學(xué)家無(wú)疑十分驚喜！可疑的是，物理學(xué)家也同樣興奮。

考古學(xué)中的鉛

這些鉛錠每一塊都大致呈梯形，長(zhǎng) 45 厘米，重約 33 千克，因此被發(fā)現(xiàn)時(shí)依然碼放的整整齊齊。

鉛在古羅馬是非常重要的金屬，會(huì)被鑄成水管、硬幣、武器或建筑結(jié)構(gòu)等。雖然無(wú)法明確具體用途，但這一大批鉛錠的發(fā)現(xiàn)也證實(shí)了古羅馬制造能力的強(qiáng)大以及經(jīng)濟(jì)貿(mào)易的發(fā)達(dá)。鉛錠上印刻的銘文商標(biāo)，也讓考古學(xué)家得以窺探失落文明的技術(shù)、工業(yè)和文化史。

古羅馬鉛水管（1 世紀(jì)），攝于格羅夫那博物館。圖片來(lái)源：Wolfgang Sauber/Wikipedia

古代鉛錠多是從深海沉船打撈出來(lái)的，但也有一些鉛錠被掩埋在土中。今年 5 月發(fā)表在《羅馬考古學(xué)雜志》（Journal of Roman Archaeology）上的一項(xiàng)研究，對(duì) 20 世紀(jì)于西班牙科爾多瓦貝爾梅斯遺址出土的三塊鉛錠進(jìn)行了詳細(xì)的檢測(cè)。

通過(guò)分析鉛錠的化學(xué)成分和穩(wěn)定同位素，研究人員發(fā)現(xiàn)這三塊鉛錠產(chǎn)自同一個(gè)礦區(qū)，其中兩塊印有“SS”字母的鉛錠來(lái)自同一家采礦公司“Societas Sisaponensis”，該公司總部就位于科爾多瓦。對(duì)沉船鉛錠的檢測(cè)結(jié)果表明，有一半以上鉛錠都開(kāi)采自這個(gè)礦區(qū)。最新的研究結(jié)果似乎進(jìn)一步證實(shí)了科爾多瓦在古代地中海地區(qū)可能有著最重要的冶金網(wǎng)絡(luò)，也反映了當(dāng)時(shí)可能的工業(yè)化水平。

鉛錠能幫考古學(xué)家串聯(lián)起地中海地區(qū)的歷史，顯然，他們恨不得將所有發(fā)現(xiàn)的鉛錠留在原處，或送往博物館穩(wěn)妥保存，以待未來(lái)更深入地檢測(cè)和分析。但在一旁“窺視”的物理學(xué)家可并不這樣想，他們最想做的是將這些羅馬鉛錠熔化，用于探索宇宙的奧秘。

物理學(xué)中的鉛

1988 年，在報(bào)紙上讀到這艘巨大貨船的發(fā)現(xiàn)后，埃托雷·菲奧里尼（Ettore Fiorini）立即預(yù)見(jiàn)到這些鉛錠對(duì)物理學(xué)家（更準(zhǔn)確地說(shuō)，是粒子物理學(xué)家）的重要性。菲奧里尼是意大利米蘭比可卡大學(xué)（University of Milan-Bicocca）的物理學(xué)家，同時(shí)他也是罕見(jiàn)事件低溫地下觀測(cè)站（Cryogenic Underground Observatory for Rare Events，CUORE）的實(shí)驗(yàn)協(xié)調(diào)員。

當(dāng)時(shí)，意大利國(guó)家核物理研究所（INFN）正在格蘭薩索實(shí)驗(yàn)室地下建造 CUORE 探測(cè)器。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)是尋找一種稱為無(wú)中微子雙 β 衰變的理論粒子衰變事件。標(biāo)準(zhǔn)的雙 β 衰變會(huì)釋放兩個(gè)中微子，但在無(wú)中微子雙 β 衰變事件中，原子核僅釋放兩個(gè)電子，而不釋放中微子。

即使是在理論上，無(wú)中微子雙 β 衰變事件也很罕見(jiàn)，我們從未觀測(cè)到過(guò)，但如果真能觀測(cè)到它，或許能測(cè)量中微子質(zhì)量，解答中微子的反物質(zhì)是否就是本身（馬約拉納中微子）的疑問(wèn)，并可能揭示宇宙中物質(zhì)-反物質(zhì)分布不對(duì)稱之謎。

無(wú)中微子雙 β 衰變的費(fèi)曼圖。圖片來(lái)源：CUORE/INFN

為了觀察到這一罕見(jiàn)的衰變事件，CUORE 的科學(xué)家需要在巖層下 1400 米深處建造重約 750 千克的二氧化碲立方體。由于這類(lèi)事件極為罕見(jiàn)，信號(hào)更是非常微弱，這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)（以及類(lèi)似實(shí)驗(yàn)）必須嚴(yán)格隔絕一切外部放射性事件的影響，將背景的放射性控制在最低限度——這正是羅馬鉛的用武之地。

整個(gè) CUORE 建在地下，被 1.4 千米厚的山脈巖層保護(hù)，以防受到宇宙中微子背景輻射的影響，但這遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。因?yàn)橛脕?lái)保護(hù)實(shí)驗(yàn)設(shè)施的巖層也有輕微的放射性，為此 CUORE 還需要一層嚴(yán)格屏蔽輻射的“盾牌”。鉛的原子核又大又重，因此只需要薄薄一層，便可以阻擋許多微小的粒子穿透。理想情況下，純凈的鉛適用于防輻射屏障。

CUORE 低溫恒溫探測(cè)器渲染圖，包括脈沖管、稀釋制冷裝置、內(nèi)部低放射性現(xiàn)代和羅馬鉛屏蔽層，以及二氧化碲晶體陣列（淺藍(lán)色）。圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[9]

但現(xiàn)實(shí)并不理想。自然界中新開(kāi)采的所有鉛都含有一定量的放射性元素鈾-235，它會(huì)隨時(shí)間衰變?yōu)椴环€(wěn)定的同位素鉛-210，而它衰變?yōu)楦€(wěn)定同位素的半衰期是 22 年。盡管加工鉛礦石的過(guò)程會(huì)去除大部分鈾，但已經(jīng)存在的鉛-210 仍在經(jīng)年累月地放出微弱輻射。顯然，現(xiàn)實(shí)中的鉛本身就成為了輻射的來(lái)源，根本無(wú)法直接用作粒子物理實(shí)驗(yàn)的防輻射屏障。

然而，在水下沉寂上千年的鉛，經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的時(shí)間，幾乎完全失去了天然的放射性，是屏蔽粒子探測(cè)器的完美材料。1991 年，INFN 團(tuán)隊(duì)及合作者在一篇論文（菲奧里尼是共同作者）中詳細(xì)檢測(cè)了羅馬鉛的放射性，各種檢測(cè)手段表明，羅馬鉛中完全不含鉛-210，背景輻射水平只有現(xiàn)代鉛的約千分之一，是當(dāng)時(shí)研究樣本中最佳的屏蔽材料。

2019年，一項(xiàng)發(fā)表于《歐洲物理雜志A》（The European Physical Journal A）的研究，用最新的低溫探測(cè)技術(shù)進(jìn)一步檢測(cè)了羅馬鉛樣品的放射性純度，并報(bào)告了有史以來(lái)最低的鉛-210 測(cè)量限值。

“粒子物理學(xué)家經(jīng)常尋找低放射性鉛，”菲奧里尼說(shuō)道，“從古老教堂的屋頂，到沉船龍骨中提取的金屬經(jīng)常用于實(shí)驗(yàn)?！比欢龆u的發(fā)現(xiàn)無(wú)論從年代，還是從材料的豐富程度上，都前所未見(jiàn)。

考古學(xué) VS 物理學(xué)

1991 年，菲奧里尼得知位于卡利亞里的考古機(jī)構(gòu)沒(méi)有足夠的資金從海底打撈回全部鉛錠，他說(shuō)服 INFN 的管理人員為這項(xiàng)行動(dòng)捐款約 21 萬(wàn)美元。作為交換，物理學(xué)家可以使用一部分回收的羅馬鉛。

20 世紀(jì) 90 年代，INFN 實(shí)驗(yàn)使用了一些鉛錠。2010 年，格蘭卡索實(shí)驗(yàn)室又從撒丁島的一家博物館“進(jìn)貨”了 4 噸羅馬鉛。

鉛錠上印刻的銘文被切割并保存，余下的主體用于 CUORE 內(nèi)部鉛屏蔽層。圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[9]

卡利亞里博物館的考古學(xué)家表示，與這些鉛錠的分離非常痛苦。盡管交給 INFN 的鉛錠是保存狀況最差的，但依然具有非凡的歷史價(jià)值。好在物理學(xué)家會(huì)在熔化鉛錠前，會(huì)將印刻的銘文切下來(lái)，送回卡利亞里保存。而剩下的鉛錠會(huì)和之前的鉛一起，被熔鑄成 6 厘米厚的鉛襯里，包裹住 CUORE 探測(cè)器。

CUORE 內(nèi)部鉛屏蔽層的右側(cè)視圖。圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[9]

對(duì)于熔鑄這些具有歷史意義的鉛塊，許多考古學(xué)家都曾表示反對(duì)。文化和自然遺產(chǎn)管理學(xué)博士埃琳娜·佩雷斯-阿爾瓦羅（Elena Perez-Alvaro）曾質(zhì)疑：“這些實(shí)驗(yàn)是否重要到足以摧毀部分過(guò)去，以發(fā)現(xiàn)未來(lái)？”英國(guó)劍橋大學(xué)的物理學(xué)家 M.費(fèi)爾南多·岡薩雷斯-扎爾巴（M. Fernando Gonzalez-Zalba）則表示：“這些實(shí)驗(yàn)可以解釋宇宙最基本的一些特性，我認(rèn)為是值得的?！?/p>

羅馬鉛并不是唯一符合敏感實(shí)驗(yàn)要求的材料，古希臘文明也曾使用過(guò)這種建筑材料。希臘鉛更稀有，但羅馬鉛的供應(yīng)也并不夠充足?？脊艑W(xué)家約翰·卡曼（John Carman）表示，如果物理學(xué)家的用法廣泛起來(lái)，考古學(xué)家可能會(huì)失去所有古羅馬鉛，從而失去它能提供的所有有關(guān)羅馬人的技術(shù)、文化、工業(yè)的信息。

針對(duì)這一爭(zhēng)端，并沒(méi)有明確的法律條文。2001 年聯(lián)合國(guó)教科文組織的《保護(hù)水下文化遺產(chǎn)公約》禁止對(duì)歷史沉船文物進(jìn)行商業(yè)開(kāi)發(fā)，但尚未明確是否適用于物理實(shí)驗(yàn)。

遍尋無(wú)果

盡管不清楚具體細(xì)節(jié)，從結(jié)果來(lái)看，這一爭(zhēng)端最終在各方妥協(xié)下平息了——CUORE 團(tuán)隊(duì)用將羅馬鉛重鑄成為了輻射屏蔽的盾牌，他們的實(shí)驗(yàn)儀器已經(jīng)于 2017 年開(kāi)始采集數(shù)據(jù)，并在 2022 年公布了最新成果。很遺憾，他們并沒(méi)有找到無(wú)中微子雙 β 衰變的痕跡。

目前，INFN 正在嘗試將 CUORE 升級(jí)為 CUPID（CUORE Upgrade with Particle Identification），增加粒子識(shí)別的功能。對(duì)考古學(xué)家最好的消息是，這次升級(jí)不需要額外的羅馬鉛。

有趣的是，CUORE 的主要科學(xué)目標(biāo)是尋找馬約拉納中微子的證據(jù)，但識(shí)別和測(cè)量低能事件的能力讓它也非常適合探索暗物質(zhì)——各種尺度的天體物理學(xué)觀測(cè)表明，宇宙的 27% 是由未被發(fā)現(xiàn)的暗物質(zhì)組成，但我們至今仍未能揭開(kāi)“暗物質(zhì)究竟是什么”的神秘面紗。

參考文獻(xiàn)

[1]https://cuore.lngs.infn.it/en/news

[2]https://www.lngs.infn.it/en/cupid

[3]https://wlab.yale.edu/news/ancient-roman-shipwreck-may-explain-universe-cuore-and-cupid-experiments-featured-scishow

[4]https://www.youtube.com/watch?v=o0A9M5wHBA4

[5]https://www.scientificamerican.com/article/roman-ingots-to-shield-detector/

[6]https://www.scientificamerican.com/article/ancient-roman-lead-physics-archaeology-controversy/

[7]https://scitechdaily.com/lost-treasures-of-rome-lead-ingots-unearthed-in-cordobas-ancient-mines/

[8]https://www.cambridge.org/core/journals/journal-of-roman-archaeology/article/la-societas-sisaponensis-los-lingotes-de-dona-ramabelmez-y-la-explotacion-minera-de-los-montes-de-corduba/390278955EB173651F606DBCD365AFE8

[9]https://doi.org/10.1038/s41586-022-04497-4

策劃制作

來(lái)源丨環(huán)球科學(xué)（ID：huanqiukexue）

作者丨不周

責(zé)編丨鐘艷平

審校丨徐來(lái) 林林