用μ介子探测地球

吴青

到2016年10月13日，意大利科学家塔尤比已经知道自己主导的“扫描金字塔”项目方向正确。那一天，他与自己的团队和一个埃及学团队会晤，他的团队向后者介绍了他们在胡夫金字塔（也称吉萨大金字塔）的北表面发现的一個之前未知的洞室。虽然当时“扫描金字塔”项目才开展了短短12个月，但已经获得了一些有希望的结果。

2017年，塔尤比团队又在有4500年历史的胡夫金字塔内部发现一个巨大的洞室。虽然无法定位这个洞室的确切位置，但塔尤比团队能肯定它的长度大约为30米，而且它位于大画廊上方。大画廊是连接王后墓室与胡夫法老墓室的走廊，其墙壁上有大量壁画，胡夫墓室里有他的石棺。事实上，自从19世纪以来.这是首次在这座金字塔内发现一个此前未知的大型建筑结构。

μ介子被用于金字塔的内部成像

虽然不清楚这个结构是水平方向的还是倾斜的，也不知道它是一个完整的结构还是由多个结构串接而成，但塔尤比能肯定的是，没有任何记载或理论提到该结构的存在。更引人注目的是，前述两大发现都是在完全不伤及胡夫金字塔的情况下取得的。塔尤比团队没有对这座金字塔的任何部位进行钻探、开启或拆除，就看穿了这座高达140米的巨型石塔，并且在其中辨认出了之前任何人都不知其存在的洞室。塔尤比团队之所以能获得这一惊人成绩，是因为他们借助了μ介子断层摄影术（也称μ介子探测术），该技术让科学家能够无侵入性探索之前多半需要依赖侵入性手段才能探索的秘密。

μ介子断层摄影术有点像把太空探索反过来进行。μ介子断层摄影术不是采用在地面建造的设备来探测太空，而是依赖在太空产生的宇宙射线来探索地球上的事物。宇宙射线是在太空以近光速穿行的高能粒子，它们由太阳、太阳系外的超新星（恒星死亡时的爆发）甚至宇宙大爆炸产生。它们一直不停地穿行于每个方向，因此有很多这样的高能粒子经常与地球大气层中的氧分子和氮分子碰撞，由此产生一系列其他粒子。这些粒子中的大多数在地球大气层中被阻滞，但另一些长驱直入到达地面，它们通常是μ介子。

μ介子是像电子一样的基本粒子，但μ介子比电子重200倍。这么重，再加上穿行速度极快，让μ介子比其他类型的辐射（例如X射线和伽马射线）更能穿透厚密物质。与X射线和伽马射线不同的是，μ介子不会伤及被它们穿透的物体。

μ介子不但能穿透数十米厚的混凝土，而且能穿透人体，但不会对人体造成伤害。在地球上μ介子无处不在，可以说它们构成了自然环境的一部分。简言之，要想窥探根本去不了的物体（例如密封的墓室、考古遗址中的胎洞穴咸火山内部通道）内部，μ介子就再合适不过了。为此，需要捕捉穿透这些物体的μ介子，利用它们来创制这些物体的内部图像。

μ介子探测到了金字塔中的密室（示意图）

科学家把μ介子探测流程比作照X光。如果—个物体（比如你的手臂）位于X射线的源头和相机之间，你的手臂就会吸收一些通过它的X射线。皮肤、肌肉、血管和骨骼的不同密度，决定着到达相机的X射线数量。物质密度越高，吸收的X射线越多。因此，我们在X光仪器中看到的是不同部位的阴影，阴影颜色越浅表明该部位密度越高，因此能区分不同的部位。μ介子断层摄影术的原理与此相仿，所以可以采用这种技术来探测物体（比如维苏威火山）。

与X光机不同的是，μ介子断层摄影仪利用的不是X射线，而是μ介子。μ介子从地球周围所有方向来到地球，但科学家感兴趣的是在接近水平方向到来的μ介子，因为它们能穿透火山。一路穿透维苏威火山的μ介子会在这座火山背后产生一种阴影。把多部μ介子探测器放置在阴影区，科学家就能采集到阴影图像，通过研究图像中反映的物质密度差异来辨别火山内部的结构。

然而，借助μ介子研究像火山这么大的物体需要耐性，因为不仅μ介子极小，而且每秒通过1平方米面积的μ介子只有大约100个。因此，尽管μ介子无时无刻不在“轰炸”地球，采集足够的μ介子以探测像维苏威火山这样大规模的物体却很花时间。毕竟，μ介子流的强度弱，而且通过火山的大部分μ介子都被火山吸收，所以采集μ介子的过程历时数月之久。

科学家在金字塔前方部署μ介子探测器

科学家在金字塔前方部署μ介子探测器

一旦获得阴影图像，就能用它预测火山爆发吗？不能。但透过μ介子图像能了解火山内部通道结构与爆发类型之间的关系。尤其是，如果维苏威火山再度爆发，那么什么条件会造成火山灰云和火山灰流？火山灰云会阻碍飞机和压塌房顶;火山灰流是由岩石碎片和气体组成、快速移动和超热的混合物，能焚毁其所经过路径上的一切物体。结合μ介子探测信息和地震学及气象学数据，当探察到火山即将爆发的比较明确的迹象时，有助于警示人们及时撤离。

μ介于探测目标之一——维苏威火山

埃契亚山下面从凝灰岩中掘出的这个洞穴，曾被用作防空洞和警方扣押车辆存放地

最近在成像技术方面的进展，让μ介子断层摄影术的应用范围越来越广（请参见相关链接：《μ介子的其他用途》）。但μ介子断层摄影术并非新事物。μ介子于1936年被发现。1955年，一名工程师运用μ介子断层摄影术来调查一个矿区上空的物质数量。20世纪60年代末，美国著名物理学家阿尔瓦雷兹运用μ介子断层摄影仪来寻找埃及金字塔内部暗藏的密室。从他当时撰写的论文来看，他对金字塔的测量结果完全正确，而且他的测量手法非常巧妙。虽然他没有发现任何密室，但那仅仅是因为他没找对地方。

阿尔瓦雷兹当时探索的是海夫拉金字塔。如果他当时把μ介子探测器对准这座金字塔隔壁的胡夫金字塔，那么他完全有可能领先“扫描金字塔”项目近50年，发现后一座金字塔内部的密室。

不难理解的是，μ介子探测器正出现在越来越多的考古遗址。随着μ介子成像的解析度越来越高，研制出的μ介子探测器也越来越便携和越来越便宜，μ介子断层摄影术正在拓展我们的视野，尤其是让我们能够一窥之前不打开就根本看不见的东西或地方。

这样的地方还真不少。例如意大利的埃契亚山——一个延伸到那波利湾、高60米的岬角。在大约3000年前，这里是古希腊帕尔忒诺珀族生活的地方，也是那不勒斯最早的雏形。此地基本上由凝灰岩建造。凝灰岩是火山灰形成的一种硬度低的黄色岩，被古人用作建筑材料。埃契亚山下面有一个复杂的通道和洞室系统，古人通过该系统挖掘凝灰岩。

科学家对该系统的调查已进行了数年。2017年科学家意识到，用新研发的μ介子探测器调查埃契亚山很合适，一是因为之前对这座“山”的内部情况已有一定的了解（因而可以把探测结果与已知情况对照，从而证明探测精度），二是因为今天的埃契亚山并非是一座孤立的“山”，而是“山”上有大量建筑物。这样一来，就对μ介子探测器构成了挑战：要想透过这些建筑窥测“山”的下面，当然不容易。不过，这让μ介子探测变得更有趣：开始时，科学家并不确定这些建筑物是否会干扰测量。

可喜的是，测试很成功。经过μ介子探测，科学家不仅对应上了埃契亚山内部所有以前就知道的洞室，而且发现了一个之前未知的洞室。他们对该洞室进行了三维重建，并且对它进行了定位。以后如果要对埃契亚山内部进行实地探测，这一信息无疑很有帮助。不过，目前尚无实地探测的计划。

离开埃契亚山，科学家又来到那波利的另一个洞穴式考古遗址——库玛，这里被认为是意大利大陆上第一批古希腊定居者的落脚地。但因为各种原因，该项目目前被搁置。不仅如此，在世界其他地方的μ介子探测项目也基本都搁置了。目前，科学家正在进一步优化μ介子探测器，希望这种技术在未来会更加精准。

“扫描金字塔”项目也受到影响，暂时中止。不过，该项目已经对2016年发现的小洞室揭示了更多信息，比如能比较有信心地推测它是一条5米长的走廊，通往金字塔内部，还可能向上倾斜。不仅如此，该项目还优化了对2017年所发现大洞室维度的估计，比如现在能比较肯定它的长度至少为40米。

用μ介子探测草原鼠洞及洪水风险

一旦μ介子探測项目得以恢复，那么世界各地那些最古老的人造和天然结构内部隐藏的信息就会开始显露出来，从而给我们带来更多的启发和帮助。

μ介子断层摄影术能探查一个物体内部的密度差异，这让该技术的应用范围超出了考古学和火山学。建筑物内部的空腔和缝隙都可能构成危险，而通过μ介子探测技术辨识大型民用建筑（例如桥梁）内部的危险缝隙，就可能拯救生命。

由于μ介子探测技术是非侵入性的，因此要想辨识这样的危险缝隙无需钻探，而钻探无疑会进一步损伤建筑物。出于这一理由，同时考虑到保护古遗址的重要性，科学家已经计划时意大利佛罗伦萨一座大型古建筑进行μ介子探测，目前，该计划尚未实施。

与此相似，运用μ介子断层扫描术检查冶炼金属的高炉壁厚度，能揭示高炉的预期寿命还剩下多久。

科学家将采用μ介子探索这座古建筑

μ介子探测术在核电站也有用场。例如，它可被用来在不打开容器的情况下检查核废料容器，否则就可能要打开容器才能进行检查，而一旦打开容器就可能造成核辐射，而且再次关闭好客器也很费事。