大约在5000年前，现今伊朗地区的人们开始从矿石中提取铜，这一被称为冶炼的工艺标志着人类冶金技术的诞生。这一重大技术变革不仅为当时的人们提供了强大的新材料，还催生了装饰品、武器和工具等金属制品的生产。然而，由于相关证据稀少且保存下来的文物受到严格保护，研究人类如何生产这些金属制品一直面临巨大挑战。
医学技术在考古学中的创新应用
在《PLOS One》期刊发表的一项研究中，麻省理工学院的研究人员展示了一种全新的方法，用于揭示最早冶金工艺的细节。他们使用X射线计算机断层扫描（CT扫描）技术，研究了5000年前的古代铜渣——冶炼矿石时产生的副产品。研究团队证明，这种主要用于医学领域的非侵入式成像技术，能够揭示古代铜渣内部结构的精细细节。
"即使铜渣不能提供完整的画面，但它讲述了过去文明如何从矿石中提炼原材料并制成金属的故事，"博士后研究员本杰明·萨巴蒂尼（Benjamin Sabatini）表示。"它反映了当时人们的技术能力，并为我们提供了大量信息。我们的目标是全面理解他们如何完成这些闪亮金属制品的生产。"
多技术融合的考古分析方法
在研究中，萨巴蒂尼与资深作者、冶金学教授兼材料科学与工程系海瑟·N·莱希特曼讲席教授安托万·阿兰诺尔（Antoine Allanore）结合了CT扫描与传统的古代文物研究方法，包括切割样本进行进一步分析。他们证明了CT扫描可以作为这些技术的补充，揭示样本内部的孔隙和不同材料的液滴。这些信息可能有助于了解最早冶金学家使用的材料及其技术复杂程度。
"早期青铜时代是人类与金属最早期的互动之一之一，"同时兼任麻省理工学院考古学与民族学材料研究中心主任的阿兰诺尔教授表示。"该地区该时期的文物在考古学上极为重要，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扫描方法改变了传统的考古方法，即如何确定切割位置和分析样本。"
古代铜渣的复杂性
当矿石被加热以生产金属时，会形成熔融的铜渣，其中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。在这种混合物中，铜渣的密度低于金属，因此可以上浮并被去除，冷却时像熔岩一样凝固。
"铜渣废料的化学解释很复杂，因为在现代冶金实践中，它包含了最终产品中不希望存在的所有物质——特别是砷，这是铜原始矿物中的关键元素，"阿兰诺尔解释道。"在考古冶金学中一直存在一个问题：我们能否利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年前制造该物体时带来了额外的问题。"
研究方法与突破
研究中，研究人员使用了来自伊朗Tepe Hissar遗址的古代铜渣。这些铜渣此前已被测定为公元前3100年至公元前2900年间的产物，并于2022年由宾夕法尼亚博物馆借给阿兰诺尔进行研究。
"该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，"阿兰诺尔解释道。"它保存得非常好，是具有长途贸易和高度组织化社会的早期遗址范例。这就是它在冶金学中如此重要的原因。"
研究人员相信，这是首次尝试使用CT扫描研究古代铜渣，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当地一家生产工业CT扫描仪的初创公司合作克服了这些挑战，同时也使用了麻省理工学院校园内的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，"萨巴蒂尼说。
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扫描提供了铜渣内部结构的详细整体图像以及孔隙和不同材料碎块等有趣特征的位置，补充了传统技术，为样本内部提供了更完整的信息。
他们利用这些信息决定在哪里切割样本，研究人员经常猜测切割位置，甚至不确定样本的哪一面最初朝上或朝下。
"我的策略是集中在看起来仍然完整的高密度金属液滴上，因为它们可能最能代表原始过程，"萨巴蒂尼说。"然后我可以通过一次切片对样本进行破坏性分析。CT扫描能准确显示最有趣的内容，以及你需要研究的一般布局。"
重构古代冶金故事
在先前的研究中，Tepe Hissar遗址的一些铜渣样本含有铜，似乎符合它们源于铜生产的叙述，而其他样本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，这些气体形成的空隙保存了关于铜渣如何生产的信息。
该遗址的其他铜渣先前被发现含有微小的金属砷化合物，导致关于砷在早期金属生产中作用的争论。麻省理工学院的研究人员发现，砷以不同的相存在于他们的样本中，可以在铜渣内移动甚至完全逃逸，这使得仅通过研究砷来推断冶金过程变得复杂。
未来考古研究的新工具
展望未来，研究人员表示CT扫描可以成为考古学中解开复杂古代材料和工艺的强大工具。
"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，"阿兰诺尔说。"它使我们能够意识到腐蚀的作用和文物的长期稳定性，从而继续了解更多知识。对于想要研究这些问题的人来说，这将是一个重要的支持。"
这项研究部分得到了麻省理工学院人类洞察协作组织（MITHIC）的支持。X射线CT系统得到了麻省理工学院先进生产技术中心的支持。
这项研究不仅展示了现代科技如何帮助我们理解古代文明，也体现了跨学科研究的重要性。通过将医学成像技术与考古学方法相结合，研究人员能够以非破坏性的方式获取珍贵古代文物的内部信息，为人类技术发展史的研究开辟了新途径。随着技术的不断进步，我们可以期待更多关于古代冶金工艺的细节被揭示，进一步丰富我们对人类文明发展历程的认识。
