本文转载自科技大观园，原文为《特务电影成真：建筑和地球结构都能透视的「渺子成像术」——专访中央大学物理系郭家铭教授与地科系陈建志教授》作者/科技大观园特约编辑|熊，想象一下间谍电影的经典桥段：主角成功潜入敌方基地，然后拿出他的神秘装置安装在墙上，不到几秒钟，基地内部的空间结构图全部显示在屏幕上。这种看透整栋建筑的技术，让影片呈现出了近未来的科幻色彩。那么，在现实世界中，这项技术还能发展多久？
“没有未来，其实现在是可以的，但是不可能花几秒钟。来自中央大学物理系的老师郭家铭说，只有使用“分子成像”才能实现。项目何和中央大学地质系陈建志老师、电机系林友生老师、中研院物理所林志勋老师都在研究这项技术，但他们透视的主要对象不是建筑物，而是山脉。
00-1010在解释子成像之前，先介绍一下子是什么。子木是物质的基本粒子之一。它是由物理学家卡尔安德森在1936年首次发现的。和电子一样，属于轻子。两者最大的区别在于，子木的质量大约是电子的210倍，这使得子木具有很强的穿透能力。在自然界中，来自外太空的宇宙射线撞击大气气体分子，然后通过介子衰变到地表。当你读到这篇文章的时候，有无数的光子从四面八方飞来，以光速穿过你的身体。
宇宙射线撞击大气气体分子后，米子被介子衰变。图/郭家铭教授和陈建志教授提供了妙子的另一个特性，即物质密度越高，其能量损耗越快。在福岛核电站的修复工程中，采用中子探测的技术，在安全距离内探测铀、钚等高密度放射性物质，避免修复人员受到辐射的影响，这是其他成像技术做不到的。对于密度较低的建筑物，或山体和岩层等地球结构，妙子有可能穿透几公里。中子成像的基本原理是分析从不同角度探测到的光子数，进而计算出被探测目标内部各部分的密度。只要有两个点的数据，我们就可以建立一个三维的透视结构，就像给建筑和山脉拍x光一样。对于中央大学图书馆来说，虽然不能像电影一样几秒成像，但只要一周左右就能收到不错的效果。
郭家铭老师说，芈子成像是一个在台湾省不常听到的词，但相关实验出现在20世纪50年代，其中最著名的是在20世纪60年代，研究团队利用芈子成像在不破坏金字塔结构的情况下找出了里面隐藏的密室。2014年，郭家铭在西班牙高能物理研讨会上了解到这项技术。
“我做的是高能物理。人们常常认为我们的研究成果没有应用价值。当时听到这样的报告，可以帮助民生和经济。听起来很酷。郭家铭老师说，大多数人认为高能物理是对基本粒子的研究，是纯物理，但这个领域对人类生活也有很大贡献。在发现正电子的同一年，卡尔安德森因发现正电子而获得了诺贝尔奖。当时没有人知道如何应用，但现在正电子被用于治疗癌症，这是从高能物理发展而来的新技术，正电子成像就是其中之一。
西班牙会议几年后，郭家铭的一名助教发现了一篇关于新型光子探测器的论文，并帮助两名学生尝试自己制作。就在两年前，科技部启动了沙克尔顿项目，鼓励跨学科研究。经过一些牵线搭桥，郭家铭先生找到了他以前的邻居陈建志先生，并开始实施该项目，试图将成像技术应用于地球科学探索。
一个探测器。图/郭家铭教授、陈建志教授提供“我们的地球物理学家一直用各种方法测量地球表面的物理场，以了解地下的结构，各种探测技术都想积极发展。陈建志老师说，荀子探测的物理量是岩体的密度，传统的测量方法是重力勘测，但这种方法探测的物体往往是以几公里为单位的，没有办法做更细致的探测。”在台湾省，我们很容易因暴雨引发山体滑坡，但这种事件不会无缘无故发生。有潜在危险的斜坡，有的地方是破碎的，密度会比密实完整的岩石小。这种几十米级别的物体，传统的重力法很难达到，但是米子探测可以分析的空间很小，所以可以在这个地方应用，找出有斜坡隐患的土地。作为一项正在发展中的新技术，Miezi成像所能探测到的物体体积较大，分辨率高达几十米，而且不需要额外产生冲击波、电流等人工信号。它有着陈建志所期望的各种优势，但自然，它也有许多挑战要面对。
帮巨大物体照X光的新型成像术
妙子影像应用项目由和陈建志两位老师主持，研究团队成员来自物理系、地质系、电气工程系等不同院系，已实施第二年。在最初的一年半时间里，团队专注于两个目标：新型探测器的研发和反演算法的开发。
n>郭家铭、陈建志两位老师主持的渺子成像术应用计画研究团队。图/郭家铭教授、陈建志教授 提供
郭家铭老师说，在高能物理这个领域，为了实验写程式、设计电路板是稀松平常的事。目前他们正在建造的探测器和传统用于渺子成像术的探测器不同，体积更小，需要的电压也从1000伏特减少到30伏特，用在户外实验的机动性更高。得到测量的数据后，还需要有个反演算法去回推观测对象内部各部份的密度，这部份的技术则是由地科系的成员来持续完善。陈建志老师说，反演算法本来就是地球物理领域的重要技术，就像是把观测对象拆解成一个个小方块，根据不同位置、角度测量到得渺子数量，来推测每个方块的密度。郭家铭老师在一旁开玩笑，说一般人对物理学家常有埋首计算的印象，没想到这次合作下来，才知道地科系要懂的数学比物理系深不少。
经过了充分的测试后，团队在2020年底开始现场探测的实验。当时石门水库的阿姆坪防淤隧道正在开挖，陈建志老师在现场做物理探查，刚好介绍团队来施工现场探测。「这个隧道的钻挖过程可能会遇到一段，地质上我们叫新店断层的东西。新店断层在阿姆坪这个位置的上方，有一层非常多的煤炭层，开挖过程会经常聚集沼气，在工程上有高度危险。」陈建志老师说，隧道工程中有项作业叫前进探查，随着隧道往前钻挖，会持续探测前方岩体的材质。传统的探查方式用的是力学波，但陈建志老师认为，渺子成像术有取代传统方式的潜力，让未来的隧道工程更加安全，便介绍团队来到阿姆坪的施工现场，把探测器架设在开挖中的隧道前，持续测量渺子通过的数量。
由于垂直方向的渺子穿过的只有大气层，当探测器对準正上方，测量到的渺子数量最多，而随着探测器仰角越来越低，渺子要通过的障碍就越多，测量到的渺子会越来越少，而水平方向通过的渺子则是最少的。阿姆坪的地势比预期中更平，虽然不至于无法探测，但就得增加探测器的数量，否则就得把实验天数拉长，才能取得足够的数据。
除了实验时间必需拉长外，实验本身进行得相当顺利，至今已不中断进行三个月的实验。高能物理的实验通常在室内进行，温度和湿度都被严格控制，郭家铭老师原本对户外实验带有不安，也确实遇到了电力系统不足等问题，但团队很快地一一解决，新型的探测器也成功挺过温湿度的剧烈变化，在日夜温差动辄二三十度变化、晴天午后突然雷雨的环境中持续运作，确实达到了实际应用的标準，为完善反演算法提供了充分的数据。
经过了阿姆坪的实地测试，整个研究的研发阶段已经可以宣告结束，正式进入量产阶段。目前团队搭建的探测器面积是20cmx20cm，未来除了增加数量，也準备建造更大的探测器，到沙克尔顿计画结束时预计可以做成目前四到六倍大，目标则是目前的一百倍大，让团队能更快地测量山体、变更地点，增加扫描山体的效率。也许再过几年，替山和建筑物照X光的技术将不再科幻，深藏在地表之下的岩层和矿脉，都将透过渺子成像术轻易地呈现在我们的眼前。
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