X射線掃描“破碎的鱷魚”，中子掃描在鱷魚的腹部發(fā)現(xiàn)了恐龍骨頭（紅色）。圖片來(lái)源：美國(guó)《科學(xué)新聞》雜志
科技日?qǐng)?bào)記者?張佳欣
“破碎的鱷魚”是一條生活在白堊紀(jì)中期澳洲昆士蘭的史前鱷魚。之所以稱之為“破碎”，是因?yàn)檫@條鱷魚的化石是在澳大利亞大自流盆地一塊巨大的、破碎的巨石中被發(fā)現(xiàn)的。當(dāng)時(shí)，科學(xué)家萬(wàn)萬(wàn)沒(méi)想到，這一發(fā)現(xiàn)會(huì)在日后提供前所未有的白堊紀(jì)時(shí)期的生命“快照”。
起初，澳大利亞新英格蘭大學(xué)古生物學(xué)家馬特·懷特及其同事打算利用X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描發(fā)掘這塊化石中的秘密。然而，由于化石中骨頭周圍富含鐵，這使其很難獲得良好的X射線圖像。
于是，他們將這塊化石送到了澳大利亞中子散射中心。該中心化學(xué)家約瑟夫·貝維特使用中子成像儀器，在鱷魚腸道化石中驚訝地發(fā)現(xiàn)了一只雞大小的幼年恐龍的骨骼。這意味著這條鱷魚吃了一只恐龍幼崽，還沒(méi)消化就被“定格”成了化石。最終，他們將這條鱷魚命名為“破碎的鱷魚·恐龍殺手”。相關(guān)研究稍早時(shí)間發(fā)表在《岡瓦納研究》雜志上。
如果沒(méi)有中子斷層掃描技術(shù)，這條鱷魚“最后的晚餐”可能永遠(yuǎn)也不會(huì)被曝光。雖然自1932年發(fā)現(xiàn)中子后不久，中子就被用于工業(yè)和軍事領(lǐng)域的成像，但直到最近幾十年，這種亞原子粒子才開(kāi)始為科學(xué)家提供前所未有的化石和文物的內(nèi)部視角。
X射線雖好，但有缺陷
一度以來(lái)，研究化石和文物往往意味著破壞或摧毀它們。木乃伊的遺骸被解剖、密封的集裝箱被撕開(kāi)、化石從巖石上被撬……還有些時(shí)候，科學(xué)家會(huì)將含有化石的樣本一層又一層碾碎，以創(chuàng)建切片中連續(xù)部分的圖像，從而揭示內(nèi)部的化石結(jié)構(gòu)。
幸運(yùn)的是，X射線可提供非破壞性的視角。自從1895年輻射被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，X射線就提供了對(duì)文物隱藏內(nèi)部的新觀察途徑。20世紀(jì)70年代開(kāi)發(fā)出X射線CT顯微成像技術(shù)后，它成為研究古生物學(xué)和考古學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)方法。然而，X射線成像仍存在缺點(diǎn)。一方面，X射線無(wú)法穿透特別致密的物質(zhì)，如鉛或其他金屬的厚層，因此無(wú)法看到隱藏在其中的物體；另一方面，由軟組織等低密度材料制成的物體在X射線下是不可見(jiàn)的。好在，中子可“填滿”這幅成像圖。
中子成像區(qū)別在于散射
中子，顧名思義，是中性的。這些亞原子粒子不帶電荷，而且是直接經(jīng)過(guò)電子并撞擊原子中心充滿質(zhì)子和中子的原子核。入射的中子可從原子核反彈，也可被原子吸收。這種相互作用比X射線更復(fù)雜，并且取決于中子移動(dòng)的速度和復(fù)雜的量子力學(xué)相互作用。
適合斷層掃描的中子是用相對(duì)較大的粒子加速器產(chǎn)生的，或者是來(lái)自核反應(yīng)堆的副產(chǎn)品。中子的運(yùn)動(dòng)速度相對(duì)較慢，其能量是CT掃描儀中X射線能量的十億分之一。這些慢中子與一些低密度物質(zhì)（包括鋰、硼和氫）強(qiáng)烈地相互作用，相比之下，X射線則會(huì)輕而易舉地穿過(guò)這些材料。
在過(guò)去的幾十年里，隨著中子“聲名遠(yuǎn)揚(yáng)”，越來(lái)越多的古生物學(xué)家、考古學(xué)家和人類學(xué)家將中子成像技術(shù)作為他們的分析工具。
除了在一只破碎的鱷魚腹部發(fā)現(xiàn)多塊恐龍骨骼，中子計(jì)算機(jī)斷層掃描還使研究人員能夠在不打開(kāi)裹尸布的情況下研究貓木乃伊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)使用膠水拼接文物的騙局，并在一條3.8億年前的魚身上發(fā)現(xiàn)了迄今最古老的脊椎動(dòng)物心臟。
不過(guò)，這項(xiàng)技術(shù)對(duì)大多數(shù)人來(lái)說(shuō)仍然很新穎。
還需擴(kuò)大技術(shù)影響力
盡管用于研究化石和古物的中子斷層掃描越來(lái)越受歡迎，但X射線CT顯微成像技術(shù)仍然是大多數(shù)研究人員的首選成像方法。
在大多數(shù)情況下，X射線就足夠用了。它們不僅提供了高分辨率成像，可見(jiàn)微知著，還沒(méi)有放射性。此外，X射線CT機(jī)也在醫(yī)療環(huán)境中被廣泛使用了50多年，而且它們體積小，可放在大多數(shù)實(shí)驗(yàn)室和博物館的研究空間中。
目前，地球上只有幾十個(gè)中子斷層掃描設(shè)施。產(chǎn)生合適的中子的粒子加速器和核反應(yīng)堆都很大，價(jià)格昂貴，而且受到嚴(yán)格監(jiān)管。德國(guó)慕尼黑技術(shù)大學(xué)物理學(xué)家、負(fù)責(zé)該校中子成像光束線的伯克哈德·希林格表示，全世界只有少數(shù)幾個(gè)設(shè)備可以用來(lái)分析化石和古董。
盡管如此，科學(xué)家表示，設(shè)備缺乏似乎并不是廣泛采用這項(xiàng)技術(shù)的障礙。除了對(duì)揮之不去的放射性的擔(dān)憂外，中子成像技術(shù)還需擴(kuò)大其影響力，以提高人們對(duì)該技術(shù)的認(rèn)知。
