大约在5000年前，现今伊朗地区的人们开始从矿石中提取铜，这一被称为冶炼的技术活动标志着人类冶金史的开端。这一重大技术变革不仅为古人提供了强大的新材料，更可能象征着冶金学的诞生。随后，世界各地的人们开始利用铜和青铜（铜与锡或铜与砷的合金）制造装饰品、武器、工具等各类物品。
然而，研究人类如何制造这些物品面临巨大挑战，因为相关证据保存有限，而幸存下来的文物又受到严格保护和研究限制。麻省理工学院的研究人员在《PLOS One》期刊发表的一项研究中，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年前的铜冶炼渣——即冶炼矿石时产生的副产品。在论文中，他们展示了这种主要用于医学领域的非侵入式成像技术，如何揭示古代铜冶炼渣内部结构的精细细节。
医学技术在考古学中的创新应用
"尽管铜冶炼渣可能无法提供完整的画面，但它讲述了古代文明如何从矿石中提炼原材料并最终转化为金属的故事，"博士后本杰明·萨巴蒂尼（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。我们的目标是全面了解他们如何完成这些闪亮金属产品的制造过程。"
在研究中，萨巴蒂尼和资深作者、冶金学教授兼材料科学与工程系希瑟·N·莱希特曼讲席教授安托万·阿兰诺尔（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扫描可以补充这些传统技术，揭示样品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水平。
"早期青铜时代是人类与金属最早有记录的互动时期之一，"阿兰诺尔说，他同时也是麻省理工学院考古与民族学材料研究中心主任。"该地区那个时期的文物在考古学上极为重要，但就我们对基础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如何确定切割和分析样品方法的变革。"
考古学的新工具
当矿石被加热以生产金属时，会形成熔融的液体，即铜冶炼渣。这种冶炼渣含有矿石中的其他矿物成分，以及未反应的金属，通常与石灰石等添加剂混合。在混合物中，冶炼渣的密度低于金属，因此可以上浮并被去除，冷却时像熔岩一样凝固。
"从化学角度看，冶炼渣的解释很复杂，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，"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。"
研究中，研究人员使用了来自伊朗Tepe Hissar古代遗址的冶炼渣。这些冶炼渣先前被测定为公元前3100年至公元前2900年期间，并于2022年由宾夕法尼亚大学博物馆借给阿兰诺尔进行研究。
"该地区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，是早期具有长途贸易和高度组织化社会的遗址典范。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扫描研究古代冶炼渣，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制造工业CT扫描仪的初创公司合作克服了这些挑战。他们还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，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扫描提供了冶炼渣内部结构的详细整体图像以及孔隙和不同材料碎片的有趣特征位置，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，指出研究人员经常猜测切割位置，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整的高密度金属液滴，因为它们最能代表原始过程，"萨巴蒂尼说。"然后我可以通过一次切片对样品进行破坏性分析。CT扫描准确显示了什么最有趣，以及你需要研究的事物的总体布局。"
冶炼渣中的历史故事
在先前的研究中，Tepe Hissar遗址的一些冶炼渣样品含有铜，似乎符合它们源于铜生产的叙述，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，形成含有关于冶炼渣生产方式信息的孔隙。
该遗址的其他冶炼渣先前被发现含有微小的金属砷化物化合物，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，砷在其样品中以不同相存在，可以在冶炼渣内部移动甚至完全逃离冶炼渣，这使得仅通过研究砷来推断冶金工艺变得复杂。
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。"它使我们能够认识到腐蚀和文物的长期稳定性，以继续了解更多。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合作组织（MITHIC）的支持。X射线CT系统得到了麻省理工学院先进制造技术中心的支持。
技术融合带来的考古革命
这项研究代表了考古学与先进材料科学技术深度融合的重要突破。通过将医学领域的CT扫描技术应用于古代冶金研究，研究人员不仅克服了传统考古分析方法的局限性，还为文物保护和研究开辟了新途径。
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
从破坏性到非破坏性分析的转变
传统考古分析通常需要对珍贵文物进行物理切割，这不可避免地会造成永久性损害。而CT扫描技术则实现了对文物的无损检测，使研究人员能够在不接触、不破坏样品的情况下获取内部结构信息。这一转变对于研究稀有且不可替代的古代文物具有革命性意义。
多学科交叉的研究方法
这项研究成功融合了考古学、冶金学、材料科学和医学影像技术等多个学科的知识和方法。研究人员不仅运用了先进的CT扫描技术，还结合了X射线荧光、X射线衍射和电子显微镜等多种分析手段，形成了多维度、全方位的研究体系。这种跨学科的研究方法为解决复杂的历史科学问题提供了新思路。
技术创新推动历史认知
通过CT扫描技术，研究人员能够清晰地观察到古代冶炼渣内部的孔隙结构、金属液滴分布和矿物相组成，这些信息对于重建古代冶金工艺至关重要。特别是对于砷元素在冶炼过程中的行为研究，CT扫描提供了前所未有的细节，解决了考古冶金学中长期存在的争议。
全球视野下的古代技术交流
Tepe Hissar遗址作为早期具有长途贸易和高度组织化社会的代表，其冶炼渣的研究不仅揭示了当地的技术水平，也为研究古代文明间的技术交流和传播提供了重要线索。CT扫描技术的应用，使科学家能够更精确地分析古代金属制品的原料来源和生产工艺，从而重建古代贸易网络和技术传播路径。
未来研究方向与潜力
这项开创性的研究为考古学和材料科学的交叉领域开辟了广阔的研究前景。随着CT扫描技术的不断发展和普及，其在考古研究中的应用将更加广泛和深入。
技术升级与精度提升
未来的研究可以结合更高分辨率的CT扫描技术，以及三维重建和虚拟现实等先进可视化手段，为古代材料和工艺提供更加精细和直观的分析。人工智能和机器学习算法的应用，也将帮助研究人员从海量扫描数据中提取更有价值的信息。
研究范围的扩展
CT扫描技术不仅可以应用于古代冶炼渣的研究，还可以扩展到其他古代材料，如陶瓷、玻璃、宝石等。这将使研究人员能够更全面地了解古代材料科学和技术的发展历程。
国际合作与数据共享
建立国际性的古代材料CT扫描数据库，促进全球考古学家和材料科学家的合作与数据共享，将大大加速这一领域的研究进展。通过标准化的数据采集和分析方法，不同国家和地区的研究成果可以进行比较和整合，形成更加完整的古代技术发展图景。
文物保护与修复的新工具
CT扫描技术不仅有助于研究古代材料，还可以为文物保护和修复提供重要参考。通过了解古代材料的内部结构和成分分布， conservators可以制定更加科学和有效的保护方案，延长珍贵文物的保存寿命。
结语
麻省理工学院研究人员将医学CT扫描技术应用于古代铜冶炼渣研究的创新方法，代表了考古学与先进科学技术融合的重要突破。这一非破坏性分析技术不仅克服了传统考古方法的局限性，还为研究人类早期冶金历史提供了全新视角。随着技术的不断发展和应用范围的扩大，我们有理由相信，这种跨学科的研究方法将继续推动我们对古代文明技术成就的理解，为文化遗产的保护和研究开辟更加广阔的前景。
