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騰訊新聞
作者:曹俊 水白羊
編輯:阿嬌
科學(xué)家在吉薩大金字塔里發(fā)現(xiàn)了一間新的密室。不過,發(fā)現(xiàn)這個(gè)秘密的并不是考古學(xué)家,而是幾位物理學(xué)家。
吉薩金字塔群鳥瞰圖。圖片來源:HIP Institute | ScanPyramids mission
吉薩大金字塔,或者叫胡夫金字塔,建于公元前2560年左右[1],是埃及第四王朝法老胡夫的陵寢,也是埃及吉薩金字塔群里最古老、最大的一座金字塔。在落成之后的3800多年里,曾經(jīng)146米高的吉薩大金字塔一直都是地球上最高的人造建筑(這個(gè)頭銜直到1311年才被英國(guó)的林肯大教堂摘走[2])。然而,幾千年過去了,人們一直不知道這座無(wú)與倫比的宏偉建筑是如何建造的,也不知道它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)究竟是個(gè)什么樣子。
吉薩大金字塔的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。圖片來源:Wikipedia | 制圖:Jeff Dahl
吉薩大金字塔里有三個(gè)已知的房間。一間叫“國(guó)王室”,相傳是法老胡夫長(zhǎng)眠的寢室;一間叫“王后室”;還有一個(gè)在地下未完工的房間。狹長(zhǎng)的甬道連接著這些房間,南北向豎直分布在金字塔內(nèi)部。
吉薩大金字塔通往國(guó)王室的大甬道。圖片來源:HIP Institute | ScanPyramids mission
科學(xué)家們嘗試過用各種各樣不同的技術(shù)來弄清吉薩大金字塔的內(nèi)部結(jié)構(gòu),試過微重力探測(cè),試過機(jī)器人拍攝,試過地質(zhì)雷達(dá)勘測(cè),然而這么多年過去了,幾乎一無(wú)所獲[3]。
這一次,來自法國(guó)巴黎遺跡創(chuàng)新保護(hù)研究所(HIP Institute)的邁赫迪·塔尤比(Mehdi Tayoubi),來自日本名古屋大學(xué)的森本久由(Kunihiro Morishima),和他們的同事們,用μ子成像技術(shù),終于有了些突破[2]。
研究團(tuán)隊(duì)在用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)技術(shù)回看在吉薩大金字塔中探測(cè)到的巨大空洞。圖片來源:HIP Institute | ScanPyramids mission
μ子(muon,讀做“謬子”)常被稱為μ介子,這來自歷史上的一個(gè)誤會(huì)。受電磁力是光子交換的思想啟發(fā),日本理論物理學(xué)家湯川秀樹提出,核力的產(chǎn)生也是交換某種粒子的結(jié)果,并把這種交換粒子稱為介子。根據(jù)原子核的大小和量子力學(xué)中的測(cè)不準(zhǔn)原理,湯川秀樹估計(jì)這種新粒子的質(zhì)量應(yīng)該是質(zhì)子重量的五分之一。后來人們果然在宇宙線中找到了質(zhì)量差不多的粒子,就把這種粒子叫做μ介子。但接著科學(xué)家又發(fā)現(xiàn),μ介子跟核力并沒有關(guān)系,并找到了真正跟核力有關(guān)系的π介子。這才發(fā)現(xiàn)μ介子并不是介子(由一對(duì)正反夸克組成),而是電子的表兄。除了質(zhì)量比電子重兩百倍外,其它基本性質(zhì)跟電子幾乎一模一樣。
除了正好產(chǎn)生一對(duì)正反μ子的情況,μ子總是跟μ中微子成對(duì)產(chǎn)生。來自太空的原初宇宙射線在地球大氣層中會(huì)產(chǎn)生大量的粒子,其中就包括μ子。伴隨μ子的產(chǎn)生或者衰變,都會(huì)有μ中微子產(chǎn)生。反之也是這樣。由于中微子本身不能被探測(cè),科學(xué)家總是通過探測(cè)μ中微子與物質(zhì)反應(yīng)產(chǎn)生的μ子,來間接探測(cè)μ中微子。
法國(guó)原子能委員會(huì)(CEA)的研究組在大金字塔的正北面架設(shè)μ子望遠(yuǎn)鏡。圖片來源:HIP Institute | ScanPyramids mission
探測(cè)μ中微子已經(jīng)帶來了兩個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)。一個(gè)是發(fā)現(xiàn)加速器產(chǎn)生的“中微子”在與物質(zhì)反應(yīng)的時(shí)候只能產(chǎn)生μ子,不能產(chǎn)生電子——證明加速器產(chǎn)生的“中微子”與伴隨電子產(chǎn)生的中微子不是同一種粒子,是第二種中微子——μ中微子。這個(gè)發(fā)現(xiàn)獲得了1988年的諾貝爾獎(jiǎng)。另一個(gè)是日本的超級(jí)神岡探測(cè)器發(fā)現(xiàn)μ中微子發(fā)生了振蕩,獲得了2015年的諾貝爾獎(jiǎng)。這兩次發(fā)現(xiàn)中,探測(cè)器探測(cè)到的其實(shí)都是μ子。
名古屋大學(xué)的科學(xué)家在王后室里鋪設(shè)μ子乳膠膠片。圖片來源:HIP Institute | ScanPyramids mission
宇宙線產(chǎn)生的μ子非常多,來自各個(gè)方向。在地表上,每平方米每秒能有200個(gè)(由于地磁場(chǎng)的影響,不同的地方略有不同)。這些μ子對(duì)中微子探測(cè)實(shí)驗(yàn)會(huì)造成嚴(yán)重的影響。不過μ子穿過物質(zhì)的時(shí)候會(huì)被吸收,被吸收的程度主要取決于穿過物質(zhì)的材料、密度及穿過的路徑長(zhǎng)度,所以中微子實(shí)驗(yàn)總是在很深的地下,利用巖石來吸收μ子。在100米深的地下,μ子數(shù)會(huì)從地表的每平方米每秒200個(gè)減少到1個(gè);到地下700米會(huì)減少到0.002個(gè)。位于四川雅礱江錦屏的中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室是現(xiàn)在世界上巖石覆蓋最深的實(shí)驗(yàn)室,在2400米深的地下。在那里,每平方米每秒鐘只能找到百萬(wàn)分之幾個(gè)μ子。
日本高能加速器研究機(jī)構(gòu)的團(tuán)隊(duì)在王后室里架設(shè)μ子閃爍計(jì)數(shù)器。圖片來源:HIP Institute | ScanPyramids mission
由于科學(xué)家已經(jīng)把μ子與物質(zhì)的作用研究得非常清楚了,所以可以很準(zhǔn)確地通過計(jì)算機(jī)模擬μ子穿過不同物體時(shí)被吸收的程度。以前有個(gè)法國(guó)中微子實(shí)驗(yàn)?zāi)M了它的地下實(shí)驗(yàn)室應(yīng)該看到的μ子數(shù),結(jié)果發(fā)現(xiàn)模擬數(shù)值跟實(shí)際觀測(cè)測(cè)到的不一致。后來通過地質(zhì)調(diào)查找到了問題所在,原來是實(shí)驗(yàn)室頭頂上的山體有一部分密度異常,影響了μ子穿過山體時(shí)被吸收的程度。
這次在吉薩大金字塔里發(fā)現(xiàn)密室就是這個(gè)原理——如果金字塔里有密室,也就是一個(gè)中空的空間,那么μ子在穿過整個(gè)金字塔的時(shí)候,這一部分吸收的μ子就會(huì)比其他地方少
換句話說,因?yàn)樵诟鱾€(gè)方向上都有宇宙線產(chǎn)生的μ子,所以可以在金字塔的不同的地點(diǎn)探測(cè)來自不同方向的μ子。如果在某方向探測(cè)到了比預(yù)期數(shù)量多的μ子,那很可能就說明,在這個(gè)方向上的金字塔內(nèi)存在一個(gè)中空的密室。
研究團(tuán)隊(duì)在大金字塔中設(shè)置的兩套μ子探測(cè)器的位置,以及它們觀測(cè)μ子來源的方向。圖片來源:參考文獻(xiàn)[3]
塔尤比和同事們這次就使用了三種不同的μ子檢測(cè)技術(shù),在吉薩大金字塔內(nèi)部新發(fā)現(xiàn)了一個(gè)大型的中空結(jié)構(gòu)。他們估計(jì)這間密室至少有30米長(zhǎng),在大甬道的上方,有和大甬道類似的三角形橫截面??上У氖?,μ子成像技術(shù)只能發(fā)現(xiàn)那里(應(yīng)該)有這么一間密室,并不能告訴科學(xué)家這間密室的詳細(xì)結(jié)構(gòu)和作用。不過,這也是吉薩大金字塔里的大發(fā)現(xiàn)了?;蛟S,在不久的將來,就有更新的技術(shù)能夠一窺密室的真容,幫助科學(xué)家高清吉薩大金字塔的內(nèi)部構(gòu)造,揭開塵封了幾千年的金字塔建造之謎。
在吉薩大金字塔里找到的密室位置示意圖。研究團(tuán)隊(duì)猜測(cè),這個(gè)密室也許是像第一幅圖那樣橫在大甬道上方,也許是像第二幅圖那樣和大甬道平行。圖片來源:HIP Institute | ScanPyramids mission
當(dāng)然,μ子成像還有很多其他的應(yīng)用。比如福島核電站損毀的反應(yīng)堆,人不能呆在那里,假如放一個(gè)μ子探測(cè)器在里面或附近,就可以大致看見里面的情況,監(jiān)視反應(yīng)堆的變化。再比如,在小一點(diǎn)的火山旁邊放上μ子探測(cè)器,可以監(jiān)視內(nèi)部巖漿的活動(dòng)情況,預(yù)報(bào)火山爆發(fā)。
想用μ子成像技術(shù)來找寶貝當(dāng)然也可以。不過前提是,你得能把探測(cè)器放到寶貝下面去。
哦對(duì)了,還需要幾位高能物理學(xué)家。
作者名片
題圖來源:HIP Institute | ScanPyramids mission
參考文獻(xiàn):
[1] Wikipedia, Great Pyramid of Giza. Last visited on November 2, 2017.
[2] Wikipedia, List of tallest buildings and structures. Last visited on November 2, 2017.
[3] Morishima, K. et al. Discovery of a big void in Khufu’s Pyramid by observation of cosmic-ray muons. Nature dx.doi.org/10.1038/nature24647 (2017)
來源:科學(xué)人
編輯:小面包
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