引言：重新审视古代冶金文明
大约5000年前，生活在现今伊朗地区的人们开始从矿石中提取铜，这一被称为冶炼的过程标志着人类历史上一次重大的技术飞跃。这一变革不仅赋予人类一种强大的新技术，可能还标志着冶金学的诞生。随后，世界各地的人们开始使用铜和青铜（铜与锡或铜与砷的合金）来制作装饰品、武器、工具等各种物品。
研究人类如何制造这些物品具有挑战性，因为现存证据稀少，而幸存下来的文物又受到精心保护和保管。在最近发表在《PLOS One》上的一篇论文中，MIT研究人员展示了一种揭示最早冶金工艺细节的新方法。他们使用X射线计算机断层扫描（CT扫描）技术，研究了5000年历史的炉渣废料——冶炼矿石的副产品。在论文中，他们展示了这种主要用于医学领域的非侵入性成像技术，如何揭示古代炉渣内部结构的精细细节。
创新方法：医学技术在考古学中的应用
"虽然炉渣可能不会给我们完整的画面，但它讲述了过去文明如何从矿石中提炼原材料并转化为金属的故事，"博士后Benjamin Sabatini表示。"这反映了当时他们的技术能力，并为我们提供了大量信息。我们的目标是从头到尾理解他们如何制作这些闪亮的金属产品。"
在这项研究中，Sabatini和资深作者、冶金学教授兼材料科学与工程系Heather N. Lechtman讲席教授Antoine Allanore，将CT扫描与更传统的古代文物研究方法相结合，包括对样品进行切割以进行进一步分析。他们证明了CT扫描可以用来补充这些技术，揭示样品内部的孔隙和不同材料的液滴。这些信息可以阐明最早一批冶金工匠使用的材料和技术水平。
"青铜时代是人类与金属最早有记载的互动时期之一，"Allanore说，他也是MIT考古与民族学材料研究中心主任。"该地区当时的文物在考古学上极其重要，但就我们对底层材料和化学过程的理解而言，这些材料本身并未得到很好的表征。CT扫描方法是对传统考古学方法如何确定切割和分析样本的变革。"
炉渣：古代冶金的无声见证者
炉渣是在矿石加热生产金属时产生的熔融热液体。炉渣包含矿石中的其他矿物成分以及未反应的金属，这些物质通常与石灰石等添加剂混合。在混合物中，炉渣的密度低于金属，因此可以上浮并被去除，冷却时像熔岩一样凝固。
"炉渣废料的化学解释很复杂，因为在现代冶金实践中，它包含最终产品中不希望的所有物质——特别是砷，这是铜原始矿物中的关键元素，"Allanore解释道。"在考古冶金学中一直存在一个问题：我们能否使用这些残留物中的砷和类似元素来了解金属生产过程。这里的挑战在于这些矿物，特别是砷，很容易溶解和浸出，因此它们的环境稳定性在解释6000年前制作此物品时带来了额外的问题。"
研究案例：伊朗Tepe Hissar遗址的发现
对于这项研究，研究人员使用了来自伊朗Tepe Hissar遗址的古代炉渣。这些炉渣之前已被断代为公元前3100年至公元前2900年之间，并于2022年由宾夕法尼亚博物馆借给Allanore进行研究。
"这个地区经常被提及为铜加工和物体生产可能发生的最早地点之一，"Allanore解释道。"它保存得非常好，是一个具有长途贸易和高度组织化社会的早期遗址例子。这就是为什么它在冶金学中如此重要。"
研究人员相信这是首次尝试使用CT扫描研究古代炉渣，部分原因是医用级扫描仪价格昂贵，主要位于医院。研究人员通过与剑桥一家制造工业CT扫描仪的本地初创公司合作克服了这些挑战。他们还在MIT校园使用了CT扫描仪。
"这完全是出于好奇心，想看看是否有更好的方法来研究这些物体，"Sabatini说。
*图：MIT研究人员使用CT扫描揭示与最早冶金工艺相关的细节。*除了CT扫描外，研究人员还使用了更传统的考古分析方法，如X射线荧光、X射线衍射以及光学和扫描电子显微镜。CT扫描提供了炉渣内部结构和有趣特征（如孔隙和不同材料碎屑）位置的详细整体图像，补充了传统技术，提供了关于样品内部的更完整信息。
他们利用这些信息决定在哪里切割样品，Sabatini指出研究人员经常猜测切割样品的位置，甚至不确定样品的哪一侧最初朝上或朝下。
"我的策略是专注于看起来仍然完好无损的高密度金属液滴，因为那些可能最能代表原始过程，"Sabatini说。"然后我可以通过单次切片对样品进行破坏性分析。CT扫描准确地向展示了什么最有趣，以及你需要研究的事物的总体布局。"
重要发现：重新解读古代冶金过程
在先前的研究中，Tepe Hissar遗址的一些炉渣样品含有铜，因此似乎符合它们是由铜生产产生的叙述，而其他样品则完全没有铜的证据。
研究人员发现，CT扫描使他们能够表征含有铜的完整液滴。它还使他们能够识别气体形成的位置，形成的信息炉渣如何生产的孔隙。
该遗址的其他炉渣先前被发现含有小的金属砷化合物，导致关于砷在早期金属生产中作用的分歧。MIT研究人员发现，砷在其样品中以不同的相存在，可以在炉渣内移动甚至完全逃逸炉渣，这使得仅通过研究砷推断冶金过程变得复杂。
技术突破：考古学的新工具
研究人员表示，向前发展，CT扫描可以成为考古学中解开复杂古代材料和过程的强大工具。
"这应该是对冶炼铜方面进行更系统研究的重要杠杆，也是继续理解砷作用的关键，"Allanore说。"它使我们能够认识到腐蚀的作用和文物的长期稳定性，以继续了解更多知识。对于想要调查这些问题的人来说，它将成为重要支持。"
这项研究部分得到了MIT人类洞察协作组织(MITHIC)的支持。X射线CT系统得到了MIT先进生产技术中心的支持。
研究意义与未来展望
这项研究不仅为古代冶金研究提供了新方法，还为文化遗产保护开辟了新途径。通过非侵入性技术，研究人员可以在不损害珍贵文物的情况下获取关键信息，这为研究脆弱的考古材料提供了可能性。
未来，这种方法可以应用于更多古代金属制品的研究，帮助科学家更全面地了解古代冶金技术的发展历程。随着CT技术的进步和成本的降低，这种创新方法有望在考古学领域得到更广泛的应用。
此外，这项研究也展示了跨学科合作的重要性，将医学技术与考古学相结合，产生了突破性的研究成果。这种跨学科的方法将继续推动科学创新，为解决复杂问题提供新的视角和工具。
