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    深海沉船里,物理学家最爱的不是宝藏,而是这种金属

    来源: 环球科学切记!信息来至互联网,仅供参考2019-11-15 访问:
    图片来源:Divetech图片来源:Divetech

      古代沉船中有很多低背景辐射材料,而这或将成为粒子物理学家发现暗物质的契机。与此同时,科学家也面临着道德困境:他们应不应该以科学之名牺牲重要的文化遗产?

      沉船中的宝藏

      2017年,伦敦大学学院的物理学家Chamkaur Ghag收到了一封邮件,邮件内容是一所西班牙大学提供的诱人的职位。而就在他收到邮件的前一年,普林斯顿大学的荣誉教授 Frank Calaprice了解到,一艘400或500年前在新泽西州沿海沉没的西班牙船上装满了。Calaprice设法获得了少量的样品,并把它送到了修建在西班牙比利牛斯山脉中的一个研究所,来检测它的放射性。正如当时Canfranc地下实验室的主任 Aldo Ianni所期望的,铅的放射性很低。现在,任何物理实验室只要愿意支付20欧元,他们都可以获得1千克来自深海中的铅,这还算是一个相对较高的价格。

      全球各地都在挖掘和炼制铅金属,但这种拥有几个世纪的寿命,在深海的船骸中发现的铅具有稀缺的价值。数百年前,这些铅就已经沉在了深海中,其天然的放射性已经衰变至无法再释放出粒子的程度。对粒子物理学家来说,这些铅具有重大的价值。“它就像是金子做的土。”Ghag表示。

      生活中的大量物体,从陶瓷、玻璃到金属,甚至是香蕉都有不同程度的放射性。在粒子物理实验中,这些物质衰变时放射出的粒子能撞击检测器,产生假阳性的结果,阻碍科学发现。即使由各种金属建造的实验装置本身,也有较轻的放射性。

      但我们仅仅只需要一小段铅就能帮助检测器阻挡各种混乱的粒子辐射,而一种最有效的方式,是用不具有辐射性的铅包括这些检测器。这种铅最好的来源就是沉在海底的船,其中一些沉船已经在海水中被掩埋了将近2000年。

      粒子物理实验试图观察宇宙中最基本的组成部分,包括了目前还没有被观察到、类似星系与星系之间“粘合剂”的暗物质。尽管这些古老的铅将帮助人类揭示宇宙的奥秘,但获得这种铅经常会陷入现实和道德上的困境。

    制图:Markus Haider制图:Markus Haider

      沉船中的铅属于一类自身放射性很低的材料,可作为低辐射背景材料。斯威本科技大学的天文物理学家Alan Duffy表示,关于低辐射背景材料还没有统一的标准,但根据一个实验对背景辐射的敏感性,就能确定所需背景材料的放射水平。他说:“如果你要建造一个盖革计数器,你需要保证这个计数器不会将自身放射的粒子计算进去。”

      阻挡辐射的物质

      钢铁也是一种非常实用的遮蔽物,能阻挡闯入实验装置的粒子。因此,位于美国伊利诺伊州研究粒子物理和高能物理的费米国家加速器实验室,在过去的几十年中共使用了好几吨特殊的钢,去遮蔽机器装置散发出的粒子。这些特殊的钢铁一般来自停用的战舰,其中大部分战舰在二战服役过。

      我提到二战,是因为它的发生与现在的金属装置相关。1945年7月16日,第一颗核弹在美国新墨西哥州的沙漠上爆炸。随着原子能时代到来,每一颗核弹爆炸都会导致更多的放射性物质被释放到地球上。

      Duffy说,冷战时期制造钢铁的熔炼炉中都吸入了含有放射性污染物的大气。这导致生产出来的钢铁制品具有放射性,而这些金属制品被应用于许多物理实验时会会不稳定,释放出放射性粒子。

      随着《全面禁止核试验条约》公布,世界上已很少有人为造成的放射性产生,但即使人为释放的放射性剂量很低,也已足够让铁制品中吸入有足够多的放射性粒子。低辐射背景的钢铁能在封闭的环境中制造,但成本很高,因此最理想的钢铁原材料来源就是在新墨西哥州核试验之前建造、已经退役的战争用船。这种钢材料不仅放射性特别低,也特别便宜。

      现在,沉船来源的钢几乎能用在各种的粒子物理实验中,但在搜寻暗物质的领域,研究对铅的需求依旧占据首要地位。

      探索暗物质也需要沉船宝藏

      暗物质在宇宙物质中的占比为83%,但科学家直到现在都没有检测到它。在研究这种难以捉摸的物质时,科学家们建造了各种实验装置,试图证明它们的存在。许多检测装置都建在地下深处,包括加拿大安大略省SNOLAB实验室正在计划中的SuperCDMS探测器,以及比利牛斯山脉Canfranc地下实验室正在运行的一些探测器。这样能屏蔽地表的辐射,不会对检测器产生干扰。

     Canfranc地下实验室 Canfranc地下实验室

      由于这些检测设备特别敏感,需要遮挡来自周围和环境中的粒子。每一个暗物质实验装置对背景辐射的容限度不同。为了确定实验装置的容限度,Duffy说:“你需要先建立一个基础的检测器”并检测一下用什么样材料阻挡辐射是最好的。有时,一个水箱或一些塑料就能阻止像中子一样的粒子意外撞击检测器。但如果需要阻挡伽马射线,实验装置就需要铜或者铅制的隔档。

      海底古老的铅就是理想的材料,不仅仅因为不稳定的铅同位素铅-210经过几个世纪的放射后,会形成稳定的铅-206。海水能阻隔来自宇宙的射线,并促进其中材料的释放其放射性。由于上述的原因,在新泽西州沿海发现西班牙船中的铅后,Calaprice已经利用这些铅设计了一些检测暗物质的实验装置。

      目前,这种特殊铅的来源仍然很有限,但是对这种铅的售卖行为却很常见。Ghag解释说,“有时候,一些地下实验室会说,‘嘿,这里有个机会能买一堆古代的铅,谁买?’”如果这些沉在海底的铅材料可以收回,会有机构对这些材料进行拍卖,而许多研究单位也会对拍卖产生很大的兴趣。

      在环绕欧洲的海水中,低背景辐射的铅就经常在从最早始于古罗马时代的沉船中被发现。含铅的钱币、建筑材料和用于战争的武器会被打捞起来,而理论物理学家也是它们的买家。

      科学与文明之争

      一些天文物理学家曾公开质问,是否能以科学之名而牺牲古代的珍宝。例如,从2010年起,意大利的地下低温稀有事件观察站(Cryogenic Underground Observatory for Rare Events)就获得了上百块铅用于实验。而他们的实验,试图解决长期以来困扰科学家的问题,例如为什么是物质而不是反物质在宇宙中占据主要地位。这些铅块来自于撒丁岛沿海的古罗马船只,这些船只已经在海底沉寂了2000多年,具有极高的考古学价值。其中每一个铅块都能够揭露其生产历史。虽然,在沉船的1000块铅块中,大部分是完好无损的,可以送到意大利国家考古博物馆中进行研究。但其中有270块铅块已经被融化以用于物理学实验研究。

      在2013年,伯明翰大学的考古学本科生Elena Perez-Alvaro也陷入里这样的窘境中。所有珍贵的沉船残骸中都含有低辐射的材料,但同时,其中一些材料也包含了丰富的人类历史。2001年颁布的《水下文物遗产的保护法和国际公约》是为了阻止这些大船中的遗留物被清理干净。但正如Perez-Alvaro指出的,公约中存在一个盲点,虽然它强调沉船中的文明遗产不能用于商业交易,但并没有表明它们不能用于科学实验。

      2015年,在她和日立剑桥实验室的Fernando Gonzalez-Zalba合作的论文中,Perez-Alvaro总结到:现在还没有一种商业技术,能生产满足科学家研究暗物质实验需要的铅。在研究者的角度,用这些古代的铅是值得的,但这些物理学家对铅的需求需要被仔细分析,以确保实验设备真的不能由塑料或钢替代。

      最近几年,在马来西亚、印度尼西亚和新加坡沿海,二战的战舰残骸逐渐消失了。这些战舰中许多都是战争中的坟墓,里面甚至还有成百具人类的遗骸。这些战舰被打捞人员非法拆解,其中的一些打捞人员可能在寻找低背景辐射的钢材。尽管作为科研单位的买家可能不想要使用这些非法来源的低背景辐射材料,但一旦收到这些材料,他们也无法确定它们的出处了。

      Gonzalez-Zalba解释道,罗马帝国每年会生产8.8万吨铅,而物理实验只需要其中很小的部分。他接着说,科学家也正在增强相关意识和敏感性,避免不陷入由低背景辐射材料构成的道德难题中。

      Duffy说,粒子物理学家在考虑所获得的材料的来源时,应该优先想到这些文化遗产。但他也强调道低背景辐射材料被认为是一种珍贵的原料,并不会被随意滥用。

      Gonzalez-Zalba怀疑,真正的危机来源于微型电子工业的逐渐繁荣。每个电脑和手机的微型芯片,都需要由低背景辐射的铅构成的组件。虽然,工业中会使用新产生的铅,他说,生产厂家通常会选择古老的铅,因为生产的成本会指数级下降。“这种应用才是最让我担忧的,因为它是一种商业性的设备,”Gonzalez-Zalba说,“但这种设备并不会让人类受益。”

      但通过深思熟虑,粒子物理学家能达到一个道德和实验的平衡。直到我们发现暗物质,在此之前,这个探索都会像是一个永远不会完结的任务。但如果我们发现了它,这个发现将会革命性地改变我们的未来。所以真的很难想象,许多人会认为牺牲一小部分的历史去追求暗物质是不值得的。


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