2017 年英国物理学家收到诱人提议，新泽西外海沉船铅块具有罕见性质

2017 年，伦敦大学学院的物理学家 Chamkaur Ghag 收到了一封来自西班牙同事的电子邮件，其中提出了一个诱人的提议。

前一年，普林斯顿大学名誉教授弗兰克·卡拉普赖斯 (Frank Calaprice) 获悉，在新泽西州沿海有几艘可追溯至 400 至 500 年前的西班牙沉船，船上载有铅。卡拉普赖斯获取了一些铅样本，并将它们送到西班牙比利牛斯山脉深处的实验室进行放射性测试——不出所料，结果很低。现在沉没的铅正在出售，任何愿意支付每公斤 20 欧元高价的物理实验室都可以将其带走。

铅在世界各地都可以开采和冶炼，但这批在沉船中沉睡了数千年的古铅却拥有一种罕见的属性。由于它早已沉入深海，其天然放射性已经衰减到极低水平，早已停止向外界发射粒子。对于粒子物理学家来说，这种属性极其珍贵。

“它有点像金粉，”格哈说道。

沉船中藏有粒子物理学家梦寐以求的古代宝藏和材料 | 图虫创意

粒子物理学家最头疼的是

放射性物质无处不在

当你想到放射性时，不要只想到用于制造原子弹的钚。事实上，许多日常物品都带有不同程度的放射性，从陶瓷到玻璃，从金属到香蕉。如果这些物体衰变时发射的粒子击中粒子物理实验的探测器，可能会导致科学家得到假阳性结果，成为科学发现道路上的陷阱。即使是实验设备本身，由于它是由各种金属制成的，也会发出轻微的辐射。

要阻挡探测器的各种侵入性辐射，十几厘米厚的铅就可以了。阻挡有害侵入粒子的最有效方法之一是用铅包围它们，铅本身的辐射很少。哪里可以找到这样的铅？答案是沉船。一些铅已经在海里沉了近两千年了。

粒子物理实验的目的是寻找构成宇宙的最基本物质。其中之一就是暗物质，一种我们尚未观测到的物质，但它在星系内部和星系之间起着“胶水”的作用。水下的古代铅块可以帮助人类解开宇宙的奥秘，但获取它们并不容易，而且往往伴随着实际和道德问题。

沉船中的铅属于一种名为“低背景物质”的物质，这种物质的放射性非常低。目前尚无公认的低背景物质标准。但根据特定实验对背景辐射的敏感度，很容易确定某种物质需要达到的辐射水平。天体物理学家艾伦·达菲说：“如果你想制作一个盖革计数器，它无法检测到大量的自身辐射。”

红海，潜水员接近英国军舰 SS Thistlegorm，该舰建于 1940 年，于 1941 年沉没。当时的军舰全部采用低本底钢制造 | 图虫创意

以钢铁为例。钢铁是阻挡外来游离粒子的绝佳材料。伊利诺伊州的粒子物理和加速器实验室费米实验室在过去几十年里使用了数吨钢铁来保护其实验设备。这些钢铁通常来自退役的军舰，其中许多是在二战或朝鲜战争期间建造或服役的，包括阿斯托里亚号、罗阿诺克号、黄蜂号、菲律宾海号和巴尔的摩号。

为什么要用退役军舰呢？这跟时间有关。

1945 年 7 月 16 日凌晨 5 点 29 分，人类历史上第一颗核弹在新墨西哥州沙漠爆炸。原子时代开始了。从那时起，每次核弹爆炸都会产生巨大的火球，将放射性尘埃云散布到世界各地。冷战期间，炼钢高炉吸入了这些放射性空气污染物。辐射随后注入钢厂的最终产品中，使钢铁不再适合许多物理实验。

在禁止核试验公约签署后，全世界的人工放射性开始慢慢衰减，但全世界的放射性仍然强到足以让放射性粒子潜入钢铁中。低背景钢可以在封闭的环境中精炼，但成本往往很高。最好的来源是退役的军舰，只要它们是在新墨西哥州核爆炸试验之前建造的。这样的钢材不仅放射性极低，而且便宜得多。

不过，虽然钢在各类粒子物理实验中表现良好，但寻找暗物质的实验仍然以铅为主。

寻找暗物质，

需要极低放射性铅

星系内部和星系之间的空间均受到暗物质提供的引力束缚 | 图虫创意

暗物质占宇宙总物质的83%，显然值得研究。问题是科学家还无法探测到它。为了找到这种难以捉摸的物质，科学家设计了各种实验，目的要么是直接探测暗物质，要么是利用其他粒子来证明暗物质的存在。

其中许多实验，从加拿大安大略省的超冷暗物质搜索实验，到目前在比利牛斯山坎弗兰克地下实验室运行的探测器，都是在地下深处进行的——由于地下很深，来自地表的辐射无法穿透，不会干扰探测器。

我国锦屏深层地下暗物质实验室（CJPL）位于四川锦屏山地下2400米|清华大学工程物理系网站

但由于这些探测器非常敏感，它们仍然需要与周围环境隔离。每个暗物质实验对背景辐射的耐受性都不同。为了确定具体要求，通常需要构建一个虚拟探测器来确定最佳阻挡材料。

格哈解释说，为了防止中子等粒子意外撞击探测器，有时水箱或一些塑料就足够了，但有些实验需要阻挡伽马射线，这时就会使用铜或铅。

沉入海底的古代铅块是理想的材料，因为经过数千年的发展，其中不稳定的铅210同位素大部分已经衰变成稳定的铅206；同时由于海水为它们遮挡了宇宙射线，所以不必担心宇宙射线会激发物质的放射性。

这就是为什么卡拉普雷斯对新泽西附近的西班牙铅矿感兴趣，他曾参与设计过多项暗物质实验。这块铅矿尚未打捞上来，但围绕此类发现的交易很常见。格哈说，偶尔会有地下实验室说：“这是购买大量古代铅矿的机会。有人想买吗？”然后，如果成功打捞出沉没的物质，并且有足够的兴趣，它就会被拍卖。

在欧洲海域沉没的罗马时代船只中经常会发现低浓度的铅，这些船只被铸造成硬币、建筑材料或武器，并在现代被打捞出来并出售给包括粒子物理学家在内的买家。

但现在一些考古学家公开质疑以科学的名义牺牲考古宝藏是否值得。

例如，2010年，意大利低温地下罕见事件观测站购买了数百块铅块用于实验，希望解答一个长期存在的谜团：为什么宇宙的主体是物质而不是反物质？这些铅块来自撒丁岛海岸附近的一艘古罗马船只，该船大约在2000年前沉没，具有很高的考古价值。每一块铅块上都刻有铭文，显示它们的生产历史。虽然从船上打捞出的1000块铅块大部分完好无损，被送往意大利卡利亚里的国家考古博物馆进行研究，但有270块铅块被熔化并用于物理实验。

古罗马铅锭上的铭文可以追溯到这些铅锭的矿工和贸易商 | INFN/卡利亚里考古主管部门

2013年，英国伯明翰大学考古学研究生埃琳娜·佩雷斯-阿尔瓦罗开始研究这个问题。她的研究范围包括所有装载着大量低本底物质的珍贵水下沉船，其中很多是记录人类历史的时间胶囊。2001年《保护水下文化遗产公约》旨在防止这些古船残骸遭到掠夺。但这份公约有一个盲点：它只要求保护沉没的文化遗产免遭商业开发，但并未说明它们是否可以被打捞用于科学研究。

在 2015 年与 Fernando Gonzalez-Zalba 合作撰写的一篇论文中，Perez-Alvaro 得出结论，目前还没有商业技术能够生产出科学家在暗物质实验中需要的那种铅。因此，从研究人员的角度来看，回收古老的铅是必要的。然而，应该根据具体情况进行仔细分析，以确定物理学家是否真的需要铅，而不能用塑料或钢铁代替它。

1988 年，潜水员在一艘古罗马沉船中发现了铅锭。铅-210 的半衰期为 22 年。这批铅锭自古罗马以来已经历了近百次减半，放射性几乎为零。| INFN/卡利亚里考古局

“这里必须有规则和界限，”佩雷斯-阿尔瓦罗强调道。“这不仅仅是你可以挖出的废金属。”但到目前为止，没有任何有权执行此类法规的机构承担起这一责任。即使未来出现一个框架来指导古代铅和其他低背景材料的获取和使用，它也可能无法规范它们的开采。

近年来，许多二战沉船在马来西亚、印度尼西亚和新加坡沿海失踪，被打捞潜水员非法拆解。这些船只中有许多是战争坟墓，埋葬着数百具尸体。其中一些潜水员可能正在寻找低背景钢材。买家可能不想要非法获得的低背景材料，但当他们收到这些材料时，他们无法确认其来源。

虽然从道德上来说，在海底寻找铅远没有掠夺战争坟墓那么令人反感，但从具有文化意义的古代沉船中打捞铅也并非没有耻辱。

“我认为物理学家往往不关心这个，”格哈说。“我们只是把它当成普通的铅，我们更关心价格。”

冈萨雷斯-萨尔瓦说，古罗马人每年生产 88,000 吨铅，而许多实验只需要其中的一小部分。他说，科学家们越来越意识到开采低背景材料所带来的道德困境。

达菲表示，粒子物理学家应该优先考虑其材料的文化遗产和出处，但他强调，低背景材料“必须被视为”宝贵资源，不应被不加考虑地滥用。

冈萨雷斯-萨尔瓦认为，真正的威胁可能来自快速发展的微电子行业。电脑和智能手机中的微芯片经常使用低背景铅。尽管微电子行业可以使用新生产的铅，但制造商通常会选择古老的铅，因为它的成本要低一个数量级。“这是最让我担心的应用，因为它是一种商业应用，而不是为了人类的共同利益，”他说。

经过深思熟虑，粒子物理学家们还是可以在道德和实用性之间找到平衡点的。追逐神秘的暗物质就像西西弗斯推巨石，在成功之前，这似乎是一场永无止境的徒劳追求。但一旦我们发现暗物质，这样的发现将彻底改变人类的未来。到那时，或许大多数人都会同意，这样一项颠覆性的发现值得用一些过去的历史碎片来交换。