宇宙射线与金字塔

玛雅人仰望银河系——划过夜空的一个模糊的带状区域，看见了“宇宙魔兽”——似乎在流动着的一条“双头蛇”。有时候，玛雅人会把这条“双头蛇”跟云、水和雨联系起来。而对现代天文学家来说，银河系是一个旋转的星云盘，其中包含着数十亿颗恒星,从褐矮星到红巨星，这些恒星被分为十几个类别。不过，银河系确实在下“雨”，一种由高能宇宙射线组成的、绵延不断的“雨”。物理学家和考古学家正在搜集这种“宇宙雨”，试图透过它来窥探玛雅和其他已经消失的文明。

美国得克萨斯州奥斯丁大学，在曾经是低能物理实验室的一栋建筑中，粒子物理学家罗伊·休维特斯正站在地面的一个大洞旁。洞旁有橘色的安全防护网，洞中则是一个铝制的圆筒。看上去，这个圆筒没有什么特别之处，直径1.5米多一点，高4米多，有点像躺在发射井里的一枚导弹。不过，你可千万别小看了这个圆筒，它实际上是一部粒子探测器。

如果不是因为冷战已经结束，不然的话，耗资120亿美元、长度超过85千米的“超导超级碰撞机”将成为比新近建成的欧洲“大型强子对撞机”功率更强大的全球最大型的粒子加速器。但是，冷战结束，美国国会在1993年切断了巨额注资。曾经参与“超导超级碰撞机”项目的休维特斯不得不承认，随着“超导超级碰撞机”的死亡，纯粹的粒子物理学已经渐失魅力。于是，他把目光转向粒子探测器在其他科学领域中的应用。眼下，休维特斯及同校的考古学家弗雷德·瓦尔德兹正打算用原本用来检测宇宙射线的粒子探测器来“透视”玛雅金字塔的内部结构。

宇宙射线和金字塔？这两个看起来风马牛不相及的概念是如何联系在一起的呢？

宇宙射线主要由被恒星爆发（或称超新星）加速到接近光速的质子构成，这些质子跟地球大气层中的原子相撞后，分裂成快速衰减的粒子流，到达地球表面时它们已经主要由介子构成。什么是介子？它们很像是重电子，几乎不能跟其他原子的原子核相互作用。介子也被称作“幽灵粒子”，因为它们能飞快地穿过物体。介子的寿命达2.2微秒，这使它们成为宇宙粒子队伍中的“寿星”，也使它们长命得足以穿越地球大气层并到达地球表面。实际上，我们每个人都时刻沐浴在介子的海洋之中。随着介子穿越包括人在内的所有物体，它们就会敲掉其他原子的电子，损失一点点能量，并留下带电的痕迹，就像喷气式飞机在空中飞过时留下飞行云迹一样。不难理解，穿越的材料密度越大，介子损失的能量也就越多，直到它们最终消失无踪。

休维特斯的粒子探测器的工作原理是：稠密材料能阻挡更多的介子。例如，把探测器放在一座金字塔的旁边，它就会“看见”来自金字塔方向的介子比来自其他角度的少，这就是所谓的“介子阴影”现象。假如金字塔内部的某个部分比预料的密度低（例如那里有一间空室），那么造成的“介子阴影”就会更少。通过计量在好几个月中穿过金字塔的介子数量，就能绘制出金字塔的内部结构图，这就好比光在底片上成像一样。如果有几部介子探测器同时工作，就可以得出更精细的金字塔内部结构，例如壕沟等。

跟其他用于考古研究的地球物理测试方法（例如穿地雷达）相比，介子探测法的优势在于，它能够制作精度比其他任何方法都高的三维图像。

休维特斯在自己的工作室的屋顶进行金字塔模拟探测。他在屋顶堆了三堆砖头：两堆含铅的重型砖之间夹着一堆轻型砖。介子以大约为每分钟每平方厘米1个的速度，穿过包括这些砖头在内的所有物体。安装在屋顶下的工作室各处的探测器感知并计量着穿过的介子数量。这些数据经过处理后，形成了一张粗略的图像——两个密度较高的物体围着一个密度较低的物体。实验证明，介子探测器“看”到了来自各个方向的“介子阴影”。简言之，介子探测器为周围的建筑物拍了一张“X光片”。

其实，运用介子探测器来扫描古代建筑的想法并不新奇。早在40多年前，诺贝尔物理奖得主、美国科学家路易斯·阿瓦雷兹就把一部介子探测器放到了埃及卡夫拉金字塔的下面。

阿瓦雷兹是美国加州大学物理学教授，曾参与著名的“曼哈顿工程”，并因在粒子物理学方面的贡献而获得诺贝尔奖。除了探索物理世界的秘密，阿瓦雷兹还热衷于探索真实世界的秘密：他曾把自己的分析能力用于破解美国前总统肯尼迪被暗杀之谜；他和儿子沃特（地理学家）曾帮助寻找小行星在6500万年前灭绝恐龙的证据；而其中最著名的是，他曾运用宇宙粒子来探索埃及卡夫拉金字塔中的“秘密墓室”。

卡夫拉是古埃及著名法老胡夫的儿子，他为自己修建的金字塔位于埃及首都开罗附近的吉萨高地上，与胡夫金字塔、孟卡拉（系胡夫的孙子）金字塔一起，并称为“大金字塔”。

上世纪60年代末，阿瓦雷兹获准进入卡夫拉金字塔下面的一间潮湿的地下室。当时有人怀疑，跟胡夫金字塔一样，卡夫拉金字塔的内部也有秘密墓室。为了探明真相，阿瓦雷兹带领一个科学小组在这座金字塔的地下室中安装了一部名为“火花室”的介子探测器。

不巧的是，1967年，当他们刚刚打开这部探测器的开关时，以色列空军就轰炸了埃及首都开罗附近的机场，从而引发了为期6天的中东战争。以阿瓦雷兹为首的美国科学小组很自然地被埃及方面列为怀疑对象，毕竟，由支持以色列的美国派来的这些人正在埃及最著名的纪念碑之一的下面捣腾，何况这部介子探测器看上去像极了科幻片《星球大战》里的东西。

多位美国科学家因为拍照而被捕，介子探测器也被下令关闭。不久，阿瓦雷兹等人被驱逐出境，只有一名小组成员获准留在那间地下室里继续进行实验。一年后的一天，这位小组成员突然发现了异常情况——卡夫拉金字塔的一个区域阻挡的介子数量比预期的少。这是否意味着卡夫拉金字塔中真的有秘密墓室？

得知消息，阿瓦雷兹在24小时后即飞抵开罗。他经过检查发现，是某个环节出了问题，导致了这种异常情况的发生。经过仔细分析、整理探测数据，阿瓦雷兹给出结论：卡夫拉金字塔中根本没有什么密室。

阿瓦雷兹的工作大大地扩展了介子探测器的应用范围。之后又有科学家进行了同样的尝试：一个墨西哥小组计划在墨西哥狄奥提瓦干的太阳金字塔上重复阿瓦雷兹当年的试验；意大利物理学家设计了一种小型介子探测器，可以放入考古探洞中工作；美国科学家运用介子搜索集装箱里的放射性材料；日本科学家将介子应用于研究火山内部结构。

现在，休维特斯又打算用介子探测器探测玛雅金字塔。不过，以往的介子探测器的操作十分繁复，而且体积庞大，有些大得就像一辆货车，根本不可能搬到丛林里去探索玛雅金字塔。为此，他设计了重量仅为90多千克的圆筒型介子探测器。这种探测器的一大特点是：可以进行各个方向的探测，而不像“火花室”那样仅仅只是往上看。因此，这种圆筒探测器可以被放在一座建筑的周围而非下面进行工作。按照休维特斯的估计，只需几部探测器同时工作半年，它们就能“画”出金字塔内部的空腔，而使用阿瓦雷兹的“火花室”则要花上一年。

休维特斯和瓦尔德兹选择位于拉米尔帕的玛雅金字塔作为试验地点。拉米尔帕是玛雅第三大城市，拥有非同寻常的兴衰故事。公元1世纪，这里只有一些村落。到5世纪，由村落发展成为一个城邦国。但不知何故，这个王国很快又缩减成了只有一个村落大小。到公元7世纪末，这里再次发生人口爆炸，很可能有多达50000人。不过，在公元830～850年期间的某个时候，此地再度被抛弃，而当时这里正在如火如荼地修建王室宫殿。

自1992年以来，美国考古学家一直在拉米尔帕进行考古发掘，并且已经复原了拉米尔帕的大部分历史。但是，这个王国仍有许多谜题待解，比如“它为什么会突然衰败”。是因为战争？还是因为连年大旱，拉米尔帕人不得不全体背井离乡？或者是因为急剧膨胀的人口导致该地区有限的资源枯竭，从而逼迫当地人另寻生计？来自金字塔的证据或许能提供一些线索。这里有3000多座金字塔及其他建筑物，答案一定隐藏其中。

可以预见的是，休维特斯的介子探测试验将有助于更准确、更省时、更省钱地确定在何处挖掘探沟，这样可以尽可能地减少对古迹的破坏。如果一切顺利，3～4部介子探测器将在拉米尔帕工作半年，探测数据将通过卫星发送到休维特斯在得克萨斯的工作室。

和大多数古代玛雅人一样，拉米尔帕人也是专注的“望天人”。如今，科学家采用天文观测方式来“观望”古代玛雅人。换句话说，长命的“幽灵粒子”（尽管寿命只有2.2微秒）将告诉我们短命的繁华城市（尽管它存在了150年）的兴衰故事，而这些“幽灵”正是来自玛雅人想象中的“宇宙魔兽”。这，的确很有意思。

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