法老都拦不住物理学家了，他们发现了吉萨大金字塔里隐藏的秘密！

作者：曹俊  水白羊

编辑：阿娇

科学家在吉萨大金字塔里发现了一间新的密室。不过，发现这个秘密的并不是考古学家，而是几位物理学家。

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吉萨金字塔群鸟瞰图。图片来源：HIP Institute | ScanPyramids mission

吉萨大金字塔，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寝，也是埃及吉萨金字塔群里最古老、最大的一座金字塔。在落成之后的3800多年里，曾经146米高的吉萨大金字塔一直都是地球上最高的人造建筑（这个头衔直到1311年才被英国的林肯大教堂摘走[2]）。然而，几千年过去了，人们一直不知道这座无与伦比的宏伟建筑是如何建造的，也不知道它的内部结构究竟是个什么样子。

吉萨大金字塔的内部结构。图片来源：Wikipedia | 制图：Jeff Dahl

吉萨大金字塔里有三个已知的房间。一间叫“国王室”，相传是法老胡夫长眠的寝室；一间叫“王后室”；还有一个在地下未完工的房间。狭长的甬道连接着这些房间，南北向竖直分布在金字塔内部。

吉萨大金字塔通往国王室的大甬道。图片来源：HIP Institute | ScanPyramids mission

科学家们尝试过用各种各样不同的技术来弄清吉萨大金字塔的内部结构，试过微重力探测，试过机器人拍摄，试过地质雷达勘测，然而这么多年过去了，几乎一无所获[3]。

这一次，来自法国巴黎遗迹创新保护研究所（HIP Institute）的迈赫迪·塔尤比（Mehdi Tayoubi），来自日本名古屋大学的森本久由（Kunihiro Morishima），和他们的同事们，用μ子成像技术，终于有了些突破[2]。

研究团队在用增强现实（AR）技术回看在吉萨大金字塔中探测到的巨大空洞。图片来源：HIP Institute | ScanPyramids mission

μ子(muon，读做“谬子”)常被称为μ介子，这来自历史上的一个误会。受电磁力是光子交换的思想启发，日本理论物理学家汤川秀树提出，核力的产生也是交换某种粒子的结果，并把这种交换粒子称为介子。根据原子核的大小和量子力学中的测不准原理，汤川秀树估计这种新粒子的质量应该是质子重量的五分之一。后来人们果然在宇宙线中找到了质量差不多的粒子，就把这种粒子叫做μ介子。但接着科学家又发现，μ介子跟核力并没有关系，并找到了真正跟核力有关系的π介子。这才发现μ介子并不是介子（由一对正反夸克组成），而是电子的表兄。除了质量比电子重两百倍外，其它基本性质跟电子几乎一模一样。

除了正好产生一对正反μ子的情况，μ子总是跟μ中微子成对产生。来自太空的原初宇宙射线在地球大气层中会产生大量的粒子，其中就包括μ子。伴随μ子的产生或者衰变，都会有μ中微子产生。反之也是这样。由于中微子本身不能被探测，科学家总是通过探测μ中微子与物质反应产生的μ子，来间接探测μ中微子。

法国原子能委员会（CEA）的研究组在大金字塔的正北面架设μ子望远镜。图片来源：HIP Institute | ScanPyramids mission

探测μ中微子已经带来了两个诺贝尔奖。一个是发现加速器产生的“中微子”在与物质反应的时候只能产生μ子，不能产生电子——证明加速器产生的“中微子”与伴随电子产生的中微子不是同一种粒子，是第二种中微子——μ中微子。这个发现获得了1988年的诺贝尔奖。另一个是日本的超级神冈探测器发现μ中微子发生了振荡，获得了2015年的诺贝尔奖。这两次发现中，探测器探测到的其实都是μ子。

名古屋大学的科学家在王后室里铺设μ子乳胶胶片。图片来源：HIP Institute | ScanPyramids mission

宇宙线产生的μ子非常多，来自各个方向。在地表上，每平方米每秒能有200个（由于地磁场的影响，不同的地方略有不同）。这些μ子对中微子探测实验会造成严重的影响。不过μ子穿过物质的时候会被吸收，被吸收的程度主要取决于穿过物质的材料、密度及穿过的路径长度，所以中微子实验总是在很深的地下，利用岩石来吸收μ子。在100米深的地下，μ子数会从地表的每平方米每秒200个减少到1个；到地下700米会减少到0.002个。位于四川雅砻江锦屏的中国锦屏地下实验室是现在世界上岩石覆盖最深的实验室，在2400米深的地下。在那里，每平方米每秒钟只能找到百万分之几个μ子。

日本高能加速器研究机构的团队在王后室里架设μ子闪烁计数器。图片来源：HIP Institute | ScanPyramids mission

由于科学家已经把μ子与物质的作用研究得非常清楚了，所以可以很准确地通过计算机模拟μ子穿过不同物体时被吸收的程度。以前有个法国中微子实验模拟了它的地下实验室应该看到的μ子数，结果发现模拟数值跟实际观测测到的不一致。后来通过地质调查找到了问题所在，原来是实验室头顶上的山体有一部分密度异常，影响了μ子穿过山体时被吸收的程度。

这次在吉萨大金字塔里发现密室就是这个原理——如果金字塔里有密室，也就是一个中空的空间，那么μ子在穿过整个金字塔的时候，这一部分吸收的μ子就会比其他地方少。

换句话说，因为在各个方向上都有宇宙线产生的μ子，所以可以在金字塔的不同的地点探测来自不同方向的μ子。如果在某方向探测到了比预期数量多的μ子，那很可能就说明，在这个方向上的金字塔内存在一个中空的密室。

研究团队在大金字塔中设置的两套μ子探测器的位置，以及它们观测μ子来源的方向。图片来源：参考文献[3]

塔尤比和同事们这次就使用了三种不同的μ子检测技术，在吉萨大金字塔内部新发现了一个大型的中空结构。他们估计这间密室至少有30米长，在大甬道的上方，有和大甬道类似的三角形横截面。可惜的是，μ子成像技术只能发现那里（应该）有这么一间密室，并不能告诉科学家这间密室的详细结构和作用。不过，这也是吉萨大金字塔里的大发现了。或许，在不久的将来，就有更新的技术能够一窥密室的真容，帮助科学家高清吉萨大金字塔的内部构造，揭开尘封了几千年的金字塔建造之谜。

在吉萨大金字塔里找到的密室位置示意图。研究团队猜测，这个密室也许是像第一幅图那样横在大甬道上方，也许是像第二幅图那样和大甬道平行。图片来源：HIP Institute | ScanPyramids mission

当然，μ子成像还有很多其他的应用。比如福岛核电站损毁的反应堆，人不能呆在那里，假如放一个μ子探测器在里面或附近，就可以大致看见里面的情况，监视反应堆的变化。再比如，在小一点的火山旁边放上μ子探测器，可以监视内部岩浆的活动情况，预报火山爆发。

想用μ子成像技术来找宝贝当然也可以。不过前提是，你得能把探测器放到宝贝下面去。

哦对了，还需要几位高能物理学家。

作者名片

题图来源：HIP Institute | ScanPyramids mission

参考文献：

[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）

来源：科学人

编辑：小面包

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