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）。圖片來源：美國《科學新聞》雜志

科技日報記者?張佳欣

“破碎的鱷魚”是一條生活在白堊紀中期澳洲昆士蘭的史前鱷魚。之所以稱之為“破碎”，是因為這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。當時，科學家萬萬沒想到，這一發(fā)現(xiàn)會在日后提供前所未有的白堊紀時期的生命“快照”。

起初，澳大利亞新英格蘭大學古生物學家馬特·懷特及其同事打算利用X射線計算機斷層掃描發(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”。相關研究稍早時間發(fā)表在《岡瓦納研究》雜志上。

如果沒有中子斷層掃描技術，這條鱷魚“最后的晚餐”可能永遠也不會被曝光。雖然自1932年發(fā)現(xiàn)中子后不久，中子就被用于工業(yè)和軍事領域的成像，但直到最近幾十年，這種亞原子粒子才開始為科學家提供前所未有的化石和文物的內部視角。

X射線雖好，但有缺陷

一度以來，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、化石從巖石上被撬……還有些時候，科學家會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，從而揭示內部的化石結構。

幸運的是，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，X射線就提供了對文物隱藏內部的新觀察途徑。20世紀70年代開發(fā)出X射線CT顯微成像技術后，它成為研究古生物學和考古學的標準方法。然而，X射線成像仍存在缺點。一方面，X射線無法穿透特別致密的物質，如鉛或其他金屬的厚層，因此無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)過電子并撞擊原子中心充滿質子和中子的原子核。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射線更復雜，并且取決于中子移動的速度和復雜的量子力學相互作用。

適合斷層掃描的中子是用相對較大的粒子加速器產(chǎn)生的，或者是來自核反應堆的副產(chǎn)品。中子的運動速度相對較慢，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（包括鋰、硼和氫）強烈地相互作用，相比之下，X射線則會輕而易舉地穿過這些材料。

在過去的幾十年里，隨著中子“聲名遠揚”，越來越多的古生物學家、考古學家和人類學家將中子成像技術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，中子計算機斷層掃描還使研究人員能夠在不打開裹尸布的情況下研究貓木乃伊的內部結構，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物心臟。

不過，這項技術對大多數(shù)人來說仍然很新穎。

還需擴大技術影響力

盡管用于研究化石和古物的中子斷層掃描越來越受歡迎，但X射線CT顯微成像技術仍然是大多數(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，可見微知著，還沒有放射性。此外，X射線CT機也在醫(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)實驗室和博物館的研究空間中。

目前，地球上只有幾十個中子斷層掃描設施。產(chǎn)生合適的中子的粒子加速器和核反應堆都很大，價格昂貴，而且受到嚴格監(jiān)管。德國慕尼黑技術大學物理學家、負責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)幾個設備可以用來分析化石和古董。

盡管如此，科學家表示，設備缺乏似乎并不是廣泛采用這項技術的障礙。除了對揮之不去的放射性的擔憂外，中子成像技術還需擴大其影響力，以提高人們對該技術的認知。