科学家焚烧仿制古卷，破解赫库兰尼姆碳化纸草阅读难题

在公元79年维苏威火山爆发中，意大利赫库兰尼姆古城的一座图书馆被火山灰掩埋，超过一千卷纸草卷被碳化，成为脆弱易碎的黑色残骸。然而，这场灾难也造就了独特的保存形式——赫库兰尼姆图书馆是已知唯一从古代完整保存下来的图书馆，可能珍藏着无数失传的古典作品。如何在不展开这些碳化卷轴的情况下读取其中的文字，成为考古学和文献学领域的重大挑战。近日，加州大学伯克利分校的附属研究员道格拉斯·塞勒（Douglas Seiler）及其合作者在《PLOS ONE》上发表研究，提出了一种创新策略：通过检测墨水中的铅元素，利用X射线断层扫描（X射线CT）清晰呈现隐藏的文字。

仿制古卷：从焚烧到成像

为了模拟古代碳化过程，塞勒从埃及获取纸草和芦苇笔，从日本采购传统灯黑墨水，并让高中生用这些材料抄写《星球大战》、圣经以及1960年代科幻剧《外星界限》的段落。随后，他将纸草卷起、密封在容器中，置于高温炉内焚烧至完全碳化。这些仿制卷轴被送往美国国家标准与技术研究院（NIST）中子研究中心，物理学家杰克·拉曼纳（Jake LaManna）利用实验室X射线源进行三维CT扫描。拉曼纳临时搭建支架，将脆弱的卷轴旋转通过X射线束，记录数千张切片图像并由计算机重建为三维模型。结果显示，含铅墨水与周围碳化纸草形成鲜明对比：铅吸收X射线的能力高达碳化纸草的25倍，文字在图像中如圣诞树般明亮闪耀。即使铅含量低至每平方厘米25微克，X射线CT和X射线荧光（XRF）都能成功检测。

塞勒解释道：“如果墨水中有铅，你会得到巨大的信号，所以你真的需要寻找含铅的卷轴。他们目前阅读许多卷轴时遇到困难，因为碳墨水在碳化纸草上对比度太低。我们相对确定，如果他们开始寻找铅，或者让我们寻找铅，这将有助于整个进程。这是圣杯。”研究还发现，相对廉价的手持X射线荧光扫描仪可以轻松检测焚烧卷轴中的铅基墨水，为快速筛选古代卷轴、确定最有希望的候选者提供了便捷途径。

赫库兰尼姆图书馆：冻结在时光中的宝藏

目前，赫库兰尼姆纸草庄园出土的碳化卷轴中，只有少数被虚拟展开并破译，且这些卷轴此前均未检测过墨水是否含铅。研究人员尚未对全部收藏进行系统的铅基墨水搜索，但此前至少有一位研究者在一份早期物理展开尝试留下的残片中检测到了铅。1752年卷轴被发现后，许多展开尝试往往以灾难告终——试图展开碳化卷轴常常使其化为灰烬，最终意大利当局禁止了这种做法。每一卷成功物理展开的卷轴都包含了学者未知的文字，其中许多是伊壁鸠鲁派哲学家菲洛德穆（Philodemus）的作品，他生活在维苏威火山爆发前约一个世纪的赫库兰尼姆。如今，幸存的图书馆包括约1800卷卷轴和残片，分别收藏在意大利、法国和英国。

“古代几乎一切都已被摧毁，”塞勒说，“除了干燥气候中的纸草或经抄写员传承的作品，所剩无几。但一些赫库兰尼姆卷轴不是副本，它们是直接来自古代世界、冻结在时光中的书籍，来自罗马知识圈。”对于研究古代文字的学者而言，其潜在重要性难以估量。伯克利考古学研究生、纸草学家莉亚·帕卡德-格拉姆斯（Leah Packard-Grams）表示：“这个项目的价值几乎无法量化。赌注是希腊文学史上最大的。”

铅墨水线索与未来展望

帕卡德-格拉姆斯在伯克利班克罗夫特图书馆的泰布图尼斯纸草中心翻译希腊和埃及文字。她利用手持X射线荧光扫描仪发现，泰布图尼斯纸草中一些文档的墨水含有铅和/或铜，这些样本通常写于公元一世纪之后。这表明至少部分赫库兰尼姆卷轴可能也含有可检测的金属。她解释说：“如果我们知道赫库兰尼姆纸草中有铅——有些有，有些没有——那么当他们进行CT扫描时，可以针对铅元素进行敏感扫描，我们就能看到墨水的位置。随着展开，可以更清晰地绘制字母。”

为了在受控条件下测试这一想法，塞勒邀请退休化学家大卫·克莱默（David Kreimer）和埃琳娜·克莱默（Elena Kreimer）将精确测量的硝酸铅混入灯黑墨水，制成不同铅浓度的墨水。随后，朋友的孩子用传统芦苇笔和这些墨水在新纸草上书写，帕卡德-格拉姆斯和杰西·奥伯特（Jesse Obert）扫描验证铅含量。下一步是将现代卷轴碳化：塞勒将其置于半密封钢容器中，在低氧环境下高温加热。拉曼纳使用NIST的实验室X射线源生成三维CT扫描。他坦言：“这是我第一次扫描卷轴。我通常不会拒绝有趣的项目。”

另一个关键突破来自NIST博士后迈克尔·赛勒斯·多尔蒂（Michael Cyrus Daugherty），他原本为锂离子电池中的“果冻卷”结构开发了数字展开CT扫描的软件。拉曼纳想到能否将其用于纸草卷轴。多尔蒂兴奋地带着数据离开，几天内稍作调整后，便返回了展开卷轴的示例。拉曼纳说：“他只需调整代码，以跟踪卷轴长度方向上不均匀且变化的厚度。”

赫库兰尼姆卷轴的数字化恢复已推进多年。2009年，肯塔基大学的布伦特·西尔斯（Brent Seales）首次对一卷赫库兰尼姆卷轴进行微型CT扫描；2015年，他成功数字展开了一卷约公元600年焚烧的犹太教堂卷轴。2023年，西尔斯与风险投资家发起“维苏威挑战”，悬赏70万美元破译两卷卷轴中的四段文字。仅五个月后，两名研究者独立识别出第一个单词：希腊语“πορφύραc”（紫色），人工智能发挥了核心作用。2024年，同一团队利用AI从法国研究所拥有的一卷卷轴中恢复出15列完整文字，内容涉及伊壁鸠鲁哲学。2026年，西尔斯团队又破译了PHerc. 1667卷轴的部分内容，可能涉及斯多葛哲学，或为赫库兰尼姆收藏中最古老的卷轴之一。

这些成功依赖于数字展开CT扫描，并利用机器学习检测古代墨水相关的细微纹理或形状变化。然而，传统碳墨水与碳化纸草在X射线下非常相似，信号极其微弱。铅可能改变这一局面。拉曼纳估计，铅基墨水在X射线CT图像中比纸草亮25倍。塞勒希望研究人员使用X射线荧光筛选更多赫库兰尼姆收藏，优先对含铅卷轴进行CT扫描，从而恢复更多文本。拉曼纳表示：“我希望看到并做的是更严格地研究墨水浓度或成分，不仅仅是铅，并看看我们能将训练数据集推进到何种程度，以开发更稳健的算法来阅读真实卷轴。”

仿制卷轴的另一大优势是，研究人员可以在可消耗的模型上改进扫描方法和计算机算法，而不必直接实验于不可替代的古代文物。帕卡德-格拉姆斯说：“道格创建模型的想法在科学上非常棒。为什么？因为如果你损坏了模型，没关系。如果你损坏了2300年前的古代文物，会有一群考古学家准备扑向你。更不用说我了！”

塞勒的研究之路颇为独特。他在与伯克利SETI合作开发Panoseti望远镜时偶然了解到这些卷轴，随后开始研究。现已退休的塞勒曾从事房地产和银行业，也当过发明家。他说：“老实说，对我来说，走到这一步和我们的研究一样独特。无机化学、纸草、X射线断层扫描、AI——这真是一群兼收并蓄的科学家和方法论。”伯克利核工程教授卡尔·范比伯（Karl van Bibber）担任塞勒的非正式顾问，他表示：“跟随道格拉斯在卷轴项目上的进展令人着迷。人们可能倾向于认为‘绅士科学家’是过去的时代，但它在伯克利依然活跃。”

该研究由塞勒自筹资金，他是论文第一作者。其他作者包括拉曼纳、多尔蒂、大卫·克莱默、伦敦大学学院的迈克尔·麦科斯克（Michael McOsker）以及英国卢瑟福·阿普尔顿实验室的延斯·多普克（Jens Dopke）。