在人类文明发展史上，金属的发现与利用无疑是一个重要的里程碑。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，这一被称为冶炼的技术革命为人类带来了强大的新技术，并可能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、工具等各类物品。
然而，研究人类如何制造这些物品一直面临挑战——现存证据稀少，而幸存下来的文物又受到严格保护和保管。麻省理工学院（MIT）的研究人员在《PLOS One》期刊上发表的一篇论文中，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年前的冶炼渣——即冶炼矿石时的副产品。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，如何能够揭示古代冶炼渣内部结构的精细细节。
从医学到考古：跨学科的技术创新
"尽管冶炼渣可能无法提供完整的画面，但它讲述了过去文明如何能够从矿石中提炼原材料并最终制成金属的故事，"博士后本杰明·萨巴蒂尼（Benjamin Sabatini）表示。"它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是如何制作这些闪亮金属产品的。"
在这项研究中，萨巴蒂尼和资深作者、冶金学教授兼材料科学与工程系海瑟·N·莱希特曼教授安托万·阿兰诺尔（Antoine Allanore）结合了CT扫描与更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扫描可以用来补充这些技术，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揭示地球上首批冶金工匠使用的材料和技术复杂性。
"青铜时代早期是人类与金属最早有记载的互动之一，"阿兰诺尔说，他也是MIT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，这些材料本身并没有得到很好的表征。CT扫描方法是对传统考古学确定如何切割和分析样本方法的转变。"
冶炼渣：古代冶金工艺的"时间胶囊"
冶炼渣是在矿石被加热以生产金属时产生的熔融热液体。冶炼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。在这种混合物中，冶炼渣的密度低于金属，因此它可以上浮并被去除，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，非常容易溶解和浸出，因此它们的环境稳定性在解释6000年前制作该物品时产生了额外的问题。"
研究方法：CT扫描与传统技术的完美结合
对于这项研究，研究人员使用了来自伊朗Tepe Hissar遗址的古代冶炼渣。这些冶炼渣此前已被测定为公元前3100年至公元前2900年期间，并于2022年由宾夕法尼亚博物馆借给阿兰诺尔进行研究。
"这个地区经常被提及为可能最早出现铜加工和物品生产证据的地方之一，"阿兰诺尔解释说。"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，部分原因是医疗级扫描仪价格昂贵，且主要位于医院。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，"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块等有趣特征的位置，补充了传统技术，提供了关于样本内部的更完整信息。
他们利用这些信息来决定在何处切割样本，并指出研究人员经常猜测切割样本的位置，甚至不确定样本的哪一侧最初朝上或朝下。
"我的策略是集中在看起来仍然完好无损的高密度金属液滴上，因为那些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割对样本进行破坏性分析。CT扫描精确地显示了什么最有趣，以及你需要研究的事物的总体布局。"
发现冶炼渣中的"故事"
在先前的研究中，Tepe Hissar遗址的一些冶炼渣样本含有铜，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，形成包含有关冶炼渣生产方式信息的空隙。
该遗址的其他冶炼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。MIT研究人员发现，砷以不同的相存在于他们的样本中，可以在冶炼渣内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。
技术革新对考古学的影响
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，以继续了解更多知识。对于想要研究这些问题的人来说，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先进制造技术中心的支持。
这项研究不仅展示了科技在考古学中的应用潜力，也为我们理解人类早期技术发展提供了新视角。通过将现代医学技术与古代研究相结合，科学家们能够以前所未有的精度解读历史，揭示人类文明发展的重要篇章。
