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菲律宾manbetx万博·物理学家盯上了古代沉船:他们想用沉船里的铅观测暗物质

来源:石柱信息门户网 作者:未知 发表时间:2020-01-11 18:14:36 我要评论

菲律宾manbetx万博·物理学家盯上了古代沉船:他们想用沉船里的铅观测暗物质

菲律宾manbetx万博,图片来源丨大西洋月刊

2017年,伦敦大学学院的物理学家尚卡·加格,收到西班牙同行的来信,问他对沉船有没有兴趣。这艘西班牙沉船四五百年前由西班牙到美洲,在今新泽西州附近沉没,船上有大量铅制货品。这些铅可以用每公斤20欧元(约合155元人民币)的价格卖给想要的实验室。

除了考古学家和寻宝者,物理学家也盯上了古代沉船?铅的价格每公斤一二十元人民币,沉船上的铅为什么卖这么贵?因为这些来自古沉船的铅,有一种意想不到的用途:观测暗物质。

暗物质是理论上提出的可能存在于宇宙中的一种不可见的物质,它可能是宇宙物质的主要组成部分。美国国家研究委员会2002年一份报告列出了21世纪要解答的11个科学问题,“什么是暗物质”研究排第一。

英国巴斯市的罗马浴室,使用了铅制水管;欧洲附近海域的古代沉船,有些可以追溯至古罗马时代,古罗马曾使用大量铅制用品,甚至流行过“古罗马人死于铅中毒”的说法。

图片来源丨phys.org

古代沉船上的铅,冶炼时间早;海洋阻挡了宇宙射线,成为它们的天然屏障。于是,这种低辐射的物品,成了暗物质探测器的绝佳材料。

不只是钚元素等放射性物质,我们身边的日常物品,例如陶瓷、玻璃、金属甚至是香蕉,都有一定的放射性。这些日常物品的辐射对人体健康不会造成威胁,但是对精密的分子物理学实验来说是致命的——这些日常物品的衰败,所释放出的分子,如果在实验中不小心“撞击”到探测器,那么就是在给科学家“挖坑”。

意大利格兰萨索实验室中的暗物质探测器

图片来源丨格兰萨索实验室

分子物理学是试图了解宇宙基本构成的学科,其中包括暗物质。科学家相信,这种仍未被观测到的神秘物质,可能在整个宇宙中占到83%的比例。暗物质就像胶水一样,维持着星系之间的联系。

一块几英寸(1英寸约2.54厘米)长的铅板,就能防止探测器遭到异常辐射的干扰。而打造这种“防护罩”本身的最佳材料,就是本身几乎没有辐射的铅块。这种铅块可以在封闭环境下打造,但相比古代沉船上的现成品,成本太高了。

由此,沉船上的铅,成了受分子物理学家追捧的明星材料。

制造分子物理学实验的探测器,为什么古代铅可以,现代冶炼的金属不行?

这里不得不提到一个概念:低背景材料。

1945年7月16日早晨5时29分,“蘑菇云”在美国新墨西哥州沙漠上空升起,人类步入了“原子时代”。此后熔炼的金属,由于大气中放射性物质的存在,导致其本身也存在一定的放射性。这些金属对人体健康没有危害,但不适合在分子物理学实验中使用。

对于低背景材料的认定标准,科学界没有统一答案。不过,根据实验的敏感程度,科学家通常很清楚需要用到什么样的材料。

“如果你制造了一台盖格计数器(一种用于探测电离辐射的计数设备),这台计数器肯定不能首先探测到了自己身上的辐射。”澳大利亚斯威本科技大学天体物理学家艾伦·达菲说。

以钢铁为例,美国著名的分子物理实验室——费米实验室,在过去几十年里使用了大量钢铁来制造防护隔离设施。这些钢板通常是废弃二战军舰吃水线周围的钢盾,用于防护鱼雷袭击。它们很厚,能在打仗时幸存下来,而且都是在第一颗原子弹爆炸前冶炼的。

为探测暗物质,全世界科学家建造了探测器。加拿大正在规划建造的超级cdms snolab地下实验室,欧洲科学家正通过比利牛斯山脉的坎夫兰克地下实验室研究暗物质。中国曾发射暗物质探测卫星“悟空”,已在轨运行接近4年。今年7月20日,四川锦屏地下实验室正式启动新阶段建设,“极深地下极低辐射本底前沿物理实验设施”项目正式进驻地下2400米深处,开始安装实验设备。

这些探测器上天入地,远离人世,但仍然需要一些金属屏蔽来自周围环境的多余辐射。打造这些屏蔽装置前,科学家通常会制造一台虚拟探测器,来看看哪种材料最合适。分子物理学家们发现,在探测器周围布置水箱和塑料,能够避免探测器捕捉到中子。而抵御伽马射线的最佳材料是铜和铅。

铅不会像铜那样轻易氧化生锈;在海底静置数百年后,不稳定的铅-210已经衰变为稳定的铅-206;宇宙中的微弱射线能“重启”金属本身的辐射,而海水成为了一道屏障,阻断了来自宇宙的微弱射线。这些理由都让古代沉船上的铅,成为包裹暗物质探测器的最佳屏蔽材料。

在欧洲附近海域,低背景铅很有可能是古罗马时期的文物。这些铅可能是硬币、建筑材料、兵器,被打捞后通常最感兴趣的是考古学家。但现在,分子物理学家们也想参一脚。

从2010年起,意大利低温稀有事件地下观测所入手了数百个铅块。该实验室试图揭秘,为何是物质,而非反物质构成了我们的宇宙。考古学家从撒丁岛附近海域中一艘古罗马沉船上寻获了上千个铅块。这些金属距今大约2000年。其中大部分都保存在意大利卡利利亚的国家考古博物馆中,但有270个铅块分给了分子物理学家。

撒丁岛附近打捞出水的古罗马铅块

图片来源丨phys.org

一些考古学家不禁要问,以科学为名,拿这些古罗马文物“献祭”是否值得。2013年,当时仍在英国伯明翰大学就读考古学博士专业的艾伦娜·皮雷兹-阿尔瓦罗,以此为题来研究。她研究的对象就是低背景铅。联合国教科文组织在2001年曾通过《保护水下文化遗产公约》。公约明令禁止打捞古代沉船用于商业目的。但阿尔瓦罗认为,这份公约有个盲点:如果是出于科学目的呢?

2015年,她发表一篇论文说,商业层面的技术无法打造出实验需要的低背景铅。阿尔瓦罗由此认为,出于科研目的打捞古代沉船是可行的,但相关部门必须严格审查每一项申请。如果实验中可用钢铁或是塑料代替,那么实验室就应该优先使用其他材料,而不是沉船上的文物。

阿尔瓦罗毕业后,成为英国一家文物保护组织的负责人。根据她的说法,没有一家研究机构对低背景材料做出限制。

近年来,越来越多的二战沉船,从马来西亚、印度尼西亚、新加坡附近海域消失。它们遭到打捞者的非法解体。其中一部分的打捞者,就是冲着低背景材料去的。从战船坟墓“废物利用”还能说得过去,要是偷偷打捞古罗马时期的沉船,那可就是盗取文物了。

图片来源丨phys.org

实验室当然不愿意买到有道德争议的物件,可当材料出现在研究人员面前,他们几乎无法确认其来源。伦敦大学学院物理学家加格说,“材料摆在那里,我们更关心的是它要花费多少钱。”

日立-剑桥实验室的物理学家冈萨雷斯·扎尔巴认为,古罗马时期生产了大量的铅,但实验中只用掉了很小一部分。真正对文物构成威胁的,可能是蒸蒸日上的微电子行业——每台电脑、手机里都有的芯片,都会用到低背景铅。

制造商可以使用现代冶炼的金属铅,但他们更偏爱沉船上打捞来的低背景铅。“这让我非常担忧,因为它是商业行为,”扎尔巴说,“这不是能让全人类受益的行为。”

( 作者:金弘彬 编辑:金弘彬 )

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