撰文 | 小溪
美國波士頓新聞社(PBS NewsHour)以「感謝粒子加速器，我們看到了這具古代木乃伊的內部」為題報導了一項絕無前例的研究。
為何研究一具1900年前的木乃伊要感謝粒子加速器呢？這要從「法尤姆肖像木乃伊」說起。
美國波士頓新聞社的報導(圖片來自網絡)
法尤姆肖像木乃伊
5000多年前的古埃及人相信「來世永生」，他們認為人死後靈魂會依附在屍體上不會消亡。為表達對死者的緬懷並期待死者的來世復活，他們用特殊的方法將屍體處理成為「木乃伊」，其實就是不會腐爛的乾屍。據考證，最早的木乃伊大約形成於公元前3200年。
19世紀初，考古學家首次發現了一些可能於公元1～4世紀間製作的木乃伊上覆蓋著色彩豔麗、表情栩栩如生的肖像(通常畫在置於木乃伊包裹布之下的木板上，或直接畫在木乃伊全身的裹屍布上)，據說出自希臘人之手。由於這類肖像在埃及的法尤姆地區發現最多，故被稱為法尤姆肖像。
法尤姆肖像木乃伊的主人公都屬於當時的社會精英階層，例如宗教祭司、文武官員、船東、教師及其家庭成員。一般人應沒有能力購買這種肖像畫(人們相信這種畫能確保死者靈魂復活)，死後也不可能有如此奢華的殯葬。
不少法尤姆肖像木乃伊在發掘過程中以及在當時流行的一種「打開木乃伊狂歡」活動中被用粗野的方式撕碎、損壞。所以，世界上現存的法尤姆肖像雖然數以千計，但保存完好的法尤姆肖像木乃伊僅有100具左右，尤為珍貴。
法尤姆肖像(圖片來自網絡)
法尤姆肖像木乃伊(圖片來自網絡)
街區的畫廊展覽
誰也沒想到，一次街區畫廊的法尤姆肖像展覽竟促成了一個難得的機遇。
美國西北大學位於伊利諾州的埃文斯頓市。2017年，西北大學街區的阿爾斯多夫畫廊籌劃在次年舉辦一個羅馬時期埃及的法尤姆肖像展覽，旨在探索古代喪葬繪畫的發展史。
此次展覽的負責人是西北大學的材料科學與工程學教授馬克?沃爾頓(Marc Walton)，合作策劃人是西北大學藝術博物館的助理館長埃西?倫克(Essi R?nkk?)。參展的大部分法尤姆肖像展品來自加州大學伯克利分校的人類學博物館，它們具有極大的歷史及藝術價值。當倫克得知與西北大學毗鄰的加勒特福音神學院圖書館也將提供一些館藏品參展，便來到圖書館實地察看。她驚喜地發現該圖書館提供的參展品中竟有一具完整的法尤姆肖像木乃伊，屬世界上僅有的約100具法尤姆肖像木乃伊之一，極為珍貴。
加勒特福音派神學院圖書館的法尤姆肖像木乃伊(圖片來自網絡)
倫克了解到：這具木乃伊出土已有百年歷史。1911年，本州富有的希巴德(Hibbards)家族資助了考古學家在埃及哈瓦拉地區的發掘工作，考古隊的發掘獲得了豐富成果，將所發現的一具法尤姆肖像木乃伊作為謝禮送給希巴德家族留念。1912年，希巴德家族將它捐給了本州芝加哥地區的西方神學院，存放在學院圖書館。後來，經歷了數次院校合併，資產變賣等變遷，加勒特福音派神學院最終購買了該圖書館的所有藏品，包括這具法尤姆肖像木乃伊。之後，這具木乃伊一直在圖書館展示，也曾在很多展覽中出現過，它沒有被損壞而是完整地保存下來了。
根據檔案記錄，這具3英尺長50英磅重的法尤姆肖像木乃伊在50多年前曾拍過一張X光片，確定裡面是一個女孩。木乃伊裹著大量亞麻布，最外面裹成華麗的重疊菱形裝飾圖案，同時也能起到固定畫有面部肖像木板的作用。面部的肖像是用蜂蠟和某類顏料繪製的，臉龐表情平靜，深色的頭髮向後攏著。
女孩法尤姆肖像木乃伊近景(圖片來自網絡)
倫克看到這具罕見的法尤姆肖像木乃伊完好無損，敏銳地感覺到她參與策劃的這次展覽將會有一個新的亮點。這個木乃伊女孩是誰？她遭遇了什麼不幸？她有什麼樣的獨特故事？這些問題都令倫克十分感興趣。
倫克與展覽負責人沃爾頓教授即刻聯繫了西北大學細胞和分子生物學教授斯圖亞特?斯託克(Stuart Stock)、古典文學與歷史學助理教授塔科·特普斯特拉(Taco Terpstra)、芝加哥藝術學院的雷切爾·薩賓諾(Rachel Sabino)等人，共同討論了研究這具木乃伊的意義，確定了下一步行動計劃。
跨學科研究
這具法尤姆肖像木乃伊引起了材料科學、人類學、藝術史和博物館研究領域研究人員的興趣。為了開展更深入的研究，西北大學決定為此開設一門跨學科課程——「古代法尤姆肖像木乃伊的材料科學和社會經濟學」，學生中包括工程學和人文學專業的本科生及研究生。學生們研究這具木乃伊從何而來？她有什麼背景故事？並試圖解開與她相關的一些謎團，例如：1900年前她的身體怎樣製作為木乃伊？她骨頭的質量如何？法尤姆肖像的製作方法、作畫所用的技術等等。
參加跨學科課程的學生們正在對木乃伊進行測試(圖片來自網絡)
由斯託克教授領導的研究團隊分析了木乃伊50多年前拍攝的X光片，發現木乃伊中女孩的腹部有一個緻密物體，亞麻布包裹上還有金屬線頭，他們想看看還能找到什麼，決定先給木乃伊做個CT掃描。
2017年8月，這具木乃伊被小心地送到西北紀念醫院，然後輕輕地推入CT機進行無創的掃描。醫院提供了木乃伊的CT掃描3D圖像，使研究人員對木乃伊的組成和結構有了初步了解。可以確認的是這個女孩去世時大約5歲，在沒有明顯受到傷害的情況下，女孩很可能死於天花或瘧疾等當時流行的疾病。在那個時代，有一半的孩子都活不過10歲。從女孩的肖像及相對豪華的殯葬表明她的家庭擁有高貴的身份。
木乃伊在西北紀念醫院接受了一次CT掃描(圖片來自西北紀念醫院)
CT掃描顯示出木乃伊中女孩的骨骼及亞麻裹布的包裹形式(圖片來自西北紀念醫院)
木乃伊頭骨上碗狀物的CT掃描圖像重建(圖片來自西北紀念醫院)
CT掃描發現了這具木乃伊一些隱藏的秘密：女孩在木乃伊化過程中除了心臟以外的內臟器官全被移除，她的鼻腔被穿孔用以切除大腦。頭蓋骨內有些碗狀物的碎片，可能來自某種倒入顱骨中以幫助保存身體的材料，匯集在頭骨底部填補大腦被移除後的空間。腹部上方包裹著一個緻密球體，因CT掃描的解析度所限，只能勉強分辨出形狀，無法確定是石頭還是某種材料的。在她的牙齒部位以及腳和頭部周圍的包裹布中發現了多個金屬絲，還不清楚它們與木乃伊的其它部分是同時代的還是後來出於保護措施的現代補充物。
CT掃描的結果並沒有能回答所有的問題，尋找更多答案的工作還需要繼續。怎樣才能在不破壞它的前提下進行更深入的研究呢？
十分巧合的是：擁有高亮度同步輻射光源APS的阿貢國家實驗室就在本州，一個難得的機遇就這樣來到了。
為了保證不損傷這具木乃伊，不拆開她的外部包裹而能研究它的內部結構，斯託克教授提出：把木乃伊帶到阿貢國家實驗室(美國能源部的尖端研究機構)。該實驗室配備了強大的APS同步輻射光源，先進的X射線衍射技術使研究人員能在納米尺度對這具木乃伊進行更多的測試，產生比任何其它現有掃描結果更詳細的3D圖像，而這並不會對文物造成任何損壞。
於是，2017年11月這具木乃伊再次「旅行」，小心翼翼地被運往阿貢國家實驗室。
用粒子加速器揭秘
阿貢國家實驗室的APS屬第三代同步輻射光源，電子能量為7 GeV，是西半球亮度最高的X射線源。APS由直線加速器、增強器、儲存環、插入件和實驗大廳組成。APS提供的高亮度、高通量、高準直度、精確可控、能量連續可調的X射線為生命、材料、能源、環境等多種尖端科學研究提供了高水平的研究平臺。
美國阿貢國家實驗室APS同步輻射光源鳥瞰(圖片來自網絡)
APS直線加速器及增強器(圖片來自網絡)
APS儲存環加速器(圖片來自網絡)
APS光束線分布示意圖(圖片來自網絡)
相比其它掃描方法，同步光源的X射線衍射技術能使研究人員看到物體內部更精細的結構，揭示物質的組成以及密度和形狀等特徵而不改變被照射物質的物理特性。曾有考古學家使用過X射線先進光源進行研究，但從未用於木乃伊遺骸。
這具木乃伊運抵阿貢國家實驗室，研究團隊將高亮度的X射線光束(直徑約為人類頭髮絲直徑的兩倍)照射在木乃伊CT掃描時發現的高密度區域，實驗進行了十多個小時。掃描獲得的X射線衍射圖顯示出衍射光束的角度及相對強度，可揭示物質的結構信息，可以像辨認「指紋」一樣分辨出它是什麼物質。
西北大學的斯託克(左)和芝加哥藝術學院的薩比諾討論實驗(圖片來自美聯社)
阿貢國家實驗室的X射線學家喬納森·阿爾默(Jonathan Almer)(右)與芝加哥藝術學院的薩比諾討論實驗(圖片來自美聯社)
阿爾默(左)與斯託克(右)在實驗中(圖片來自美聯社)
斯託克(左)與阿爾默(右)討論實驗方案(圖片來自美聯社)
實驗準備中 (圖片來自美聯社)
實驗進行中(圖片來自美聯社)
實驗進行中(圖片來自芝加哥論壇報)
這是世界上首次對人類木乃伊進行這類研究，實驗獲得了比傳統的CT掃描更多的大量有價值的信息，研究團隊需要對這些測量數據進行深入的研究。初步得出的結果有以下幾個方面：
頭骨內部的碎片沒有顯示任何結晶度的證據，傾向於認為是大腦內組織被掏空後防腐處理時使用的樹脂，而不是具有晶體結構的物質。
牙齒上嵌有的金屬絲屬於什麼性質還需研究。
腹部上方的圓形物體由高純度方解石組成，此種材料柔軟且容易雕刻，該物品可能是一種雕刻的護身符，屬於常見的墓葬陪葬品。
頭部與腳部纏繞的一些金屬絲是現代的雙相鋼，類似於昆蟲學中用於標本銷的材料。它們不應是文物，很可能是1911年發掘的時候為固定木乃伊包裹釘進去的。
斯託克最感興趣的是這具木乃伊呈現的骨骼圖像。他說：「木乃伊包裹的是一名5歲兒童，從醫學的角度，我們對她的骨骼質量非常感興趣，想知道這些骨骼隨著時間的流逝是否有變化。據此可建立古代人骨骼與現代人骨骼的對比資料庫。」
法尤姆肖像是人臉部栩栩如生的描繪，但研究團隊對肖像究竟代表了什麼還存有疑問。這具5歲木乃伊女孩伴隨的肖像看起來並不像5歲的孩子，而似乎是一個大女孩或年輕婦女。沃爾頓和特普斯特拉提出了一個解釋的理論：這可能是對她母親或姑媽的描繪，也可能是隨機挑選的一幅畫，或者是代表家庭成員所想像的女孩長大後的模樣。
新的啟示
師生們對西北大學新開設的跨學科課程均給予了高度評價。隨著技術的進步，越來越多的科學領域開始交織在一起。新的技術設備為研究人員提供了更多的機會。通過團隊中多個專業研究領域研究人員的合作，獲得了具有重大意義的、有實質性推進的發現。
完整的法尤姆肖像木乃伊極其罕見，這具完整的肖像木乃伊對教學和展覽都有新的啟示。
該研究項目的首席科學家沃爾頓教授認為：「這項研究最初的目的是探討能否以及如何利用物理科學來揭示木乃伊背後的藝術和技術。對我們的本科生和我本人來說都是一生中難得的一次機會，使我們有可能去更多地了解這具法尤姆肖像木乃伊女孩的背景故事。現代強大的檢測及分析技術使我們能夠以非破壞性的方式完成100多年前考古學科學家所無法做到的事情，並重新審視100多年前的那次木乃伊挖掘。在APS進行的實驗所獲得的信息幫助我們更多地了解古羅馬時期埃及的歷史背景。」對這具法尤姆肖像木乃伊的跨學科研究將藝術、科學和世界歷史聯繫在了一起。
參加跨學科課程的師生們結合古典、藝術史、材料科學、醫學、考古學、藝術史和分子生物學的專業知識，大大發揮了自己的想像力。
實驗完成之後這具5歲女孩的法尤姆肖像木乃伊如期在街區舉辦的展覽上展示。展覽的參觀者還可通過數字窗口看到這具木乃伊的內部結構。這個交互式可視化功能是由大四的學生在教授與博士生指導下開發出來的。
展覽結束後，這具木乃伊回到了加勒特福音神學院圖書館，並採用了新安裝的保護措施。
學生們開發的交互式可視化功能 (圖片來自西北大學)
該項研究引起了相關領域研究人員的關注，2018年，Listverse網站將「用粒子加速器窺視木乃伊」列為揭示科學奧秘的十項驚人新技術之一，多家媒體對此項研究做了報導。將於2019年8月13-15日召開的第12屆「X射線斷層攝影技術的發展」會議特邀斯託克教授作題為「Insitu position-resolved x-ray diffraction of an intact Roman-era Egyptian mummyguided by computed tomography」的報告。
Listverse網站的介紹(圖片來自網絡)
美國西北醫學雜誌的相關介紹(圖片來自網絡)
第12屆「X射線斷層攝影技術的發展」會議議程(圖片來自網絡)
這是有史以來第一次用高能粒子加速器觀察木乃伊的內部，開創了一種完全無損的方法來檢測完整木乃伊的內部，而不必進行實際的取樣，任何其它技術目前還無法做到這一點。實驗取得的成果如此豐盛，怪不得研究團隊要感謝粒子加速器呢。
參考資料
1、10 Amazing NewTechniques Used To Reveal Scientific Mysteries
http://listverse.com/2018/12/02/10-amazing-new-techniques-used-to-reveal-scientific-mysteries/
2、ScientistsStudied Ancient Egyptian Mummy UsingParticle Accelerator
https://www.valuewalk.com/2017/11/ancient-egyptian-mummy-particle-accelerator/
3、New X-RayTechnology Used to Uncover 『Rare' Mummy's Secrets in 3D
https://sputniknews.com/viral/201712061059758570-rare-mummy-3d-scan/
4、「Paint the EyesSofter: Mummy Portraits from Roman Egypt」Preview – A Remarkable Opportunity
http://www.hawaii-splash.com/index.php/2017/12/22/paint-the-eyes-softer-mummy-portraits-from-roman-egypt-preview-a-remarkable-opportunity/
5、Scientists UseParticle Accelerator To Look Inside Ancient Mummy
https://www.valuewalk.com/2017/11/particle-accelerator-ancient-mummy/
6、Scientists get inside view of a mummy usingparticle accelerator
https://www.usatoday.com/videos/news/2017/11/30/scientists-get-inside-view-mummy-using-particle-accelerator/108164972/
7、Thanks to a particle accelerator, we can seeinside this ancient mummy
https://www.pbs.org/newshour/science/particle-accelerator-enlisted-to-uncover-mummys-secrets
8、ParticleAccelerator Reveals Mummy's Secrets Without Disturbing What's Inside
https://www.newsmax.com/thewire/particle-accelerator-reveals-mummy-secrets/2017/12/01/id/829268/
9、ParticleAccelerator Reveals Objects Buried With An Ancient Egyptian Mummy
https://www.techtimes.com/articles/216400/20171130/particle-accelerator-reveals-objects-buried-with-an-ancient-egyptian-mummy.htm
10、ParticleAccelerator Reveals Secrets of Ancient Mummy
https://www.msn.com/en-in/news/techandscience/particle-accelerator-reveals-secrets-of-ancient-mummy/ar-BBFZjWC?li=AAgges1
11、ResearchersUnraveling Mummy Mysteries with Powerful APS X-rays
https://www.aps.anl.gov/APS-Science-Highlight/2017-11-28/researchers-unraveling-mummy-mysteries-with-powerful-aps-x-rays
12、Modern techunravels mysteries of Egyptian mummy portraits
https://www.sciencenews.org/article/modern-tech-unravels-mysteries-egyptian-mummy-portraits?tgt=nr
13、New Findings Tell Story of Mysterious1,900-Year-Old Portrait Mummy
https://seenews.net/science-amp-health/new-findings-tell-story-of-mysterious-1-900-year-old-portrait-mummy-photo.html
14、NorthwesternExplores Mummy’s Secrets With Particle Accelerator
https://news.feinberg.northwestern.edu/2017/11/northwestern-explores-mummys-secrets-with-particle-accelerator/
15、First-of-its-kindmummy study reveals clues to girl’s story
https://news.northwestern.edu/stories/2017/november/mummy-portrait-research-roman-egyptian/
16、The StybergLibrary’s Hibbard Mummy to be on Display at the Block Museum of Art
https://www.garrett.edu/news/styberg-library%e2%80%99s-hibbard-mummy-be-display-block-museum-art
17、Researchersunraveling mummy mysteries with help from powerful Argonne X-ray
https://www.chicagotribune.com/news/local/breaking/ct-met-northwestern-mummy-argonne-20171122-story.html
18、Mummy of ayoung girl with portrait painting of her, Egyptian, c. 80 BC.
https://www.reddit.com/r/Mummies/comments/9iq1ni/mummy_of_a_young_girl_with_portrait_painting_of/
19、In situposition-resolved x-ray diffraction of an intact Roman-era Egyptian mummyguided by computed tomography (InvitedPaper)
https://spie.org/OPO/conferencedetails/x-ray-tomography?SSO=1#
20、Researchers useadvanced technology to study child mummy
https://phys.org/news/2017-11-advanced-technology-child-mummy.html
21、A system forhigh-resolution X-ray phase-contrast imaging and tomography of biologicalspecimens
https://www.researchgate.net/publication/252958745_A_system_for_high-resolution_X-ray_phase-contrast_imaging_and_tomography_of_biological_specimens
22、NorthwesternEngineering partners with the Block Museum to inspire a new generation ofindependent thinkers
https://www.mccormick.northwestern.edu/magazine/spring.../pdf/art-engineering.pdf
23、Northwestern Medicine Magazine
https://magazine.nm.org/wp-content/uploads/sites/23/2018/03/NM-Mag-Winter18-V2.pdf
24、美國阿貢國家實驗室
http://lssf.cas.cn/lssf/kpyd/zsk/kyjd/201103/t20110316_4513351.html