数据海洋：以新方式寻找沉没的宝藏

去年 10 月初，布伦丹·福利 (Brendan Foley) 发现自己在爱琴海中央的一艘小型充气船上划着圆圈。这位 43 岁的海洋考古学家正在等待三名潜水员，他们正在水下 100 英尺处搜寻古代沉船。船长乔治斯 (Giorgos) 是一位大腹便便的希腊人，他没有抛锚，而是用力将舵轮转向左舷，让船不停地旋转。乔治斯似乎并不介意这种重复的航行，无论是习惯了还是对此毫不在意。但这种重复让福利坐立不安。他摆弄着潜水服的拉链。他重新整理潜水装备，上面还沾着当天早些时候自己调查时留下的湿水。然后他坐在我旁边，对一个以海洋为生的人来说，说出了不同寻常的坦白。“我讨厌小船，”他说。“也不太喜欢大船。”

弗利喜欢寻找沉船，因此他和希腊同事选择了当天的潜水地点迪亚岛，这是一座岩石小岛，位于克里特岛首府伊拉克利翁以北约八英里处。该市作为港口已有大约 6,000 年的历史。在此期间，许多开往伊拉克利翁的船只很可能在迪亚岛的悬崖上沉没。雅克·库斯托于 1976 年在寻找亚特兰蒂斯时在该岛的南岸发现了几艘沉船。弗利和他的团队是第一批搜索北岸的考古学家。

尽管 Foley 喜欢发现沉船——在过去 14 年中，他已经发现或协助发现了 26 艘沉船——但他并不太喜欢花时间寻找它们，至少不喜欢用传统方式。Foley 不会派潜水队一次一次地勘测 1,000 英尺长的横断面，而是更喜欢使用自主水下航行器 (AUV) 勘测大片海底。当机器人无法正常工作时，Foley 会派配备闭路循环呼吸器和推进器的潜水员下潜，这样他们就可以覆盖更大的区域。他说，他想走得更快，因为他需要更多信息。海洋考古学家可以在几个地点花费数年时间，但对于 Foley 的目的而言，一艘孤零零的沉船在统计上是站不住脚的——只不过是一段较长对话中的几个词而已。要理解整个对话，海洋考古学家必须研究许多沉船并找出它们之间的模式。 Foley 的模型不是挖掘和解释的软科学，而是由基因和药物研究人员部署的高通量筛选的硬科学，他们以工业速度收集数据，并使用能够检测到普通分析范围之外的细微模式的强大计算机来分析数据。

如果 Foley 能够确定数百甚至数千艘古船的目的地、到达时间以及船上载有何种物品，他就能够利用计算机分析来追溯世界最早文化的起源，从而验证他的核心假设：正是海上贸易推动了地中海盆地文明的传播。但要想在计算机上完成所有这些工作，他首先需要“精确绘制地中海整个海底地图”，这片海域面积接近一百万平方英里，可能包含多达 30 万艘沉船。

今天的任务尤其艰难。Foley 的水下机器人无法在 Dia 附近工作；那里的陡峭海底悬崖会干扰机器人的传感器。有人还把推进器的一个关键部件遗留在了伊拉克利翁的码头。Foley 的团队没有快速找到沉船，而是只能用老办法寻找沉船。他和他的潜水伙伴之前已经潜水一次，但一无所获。

又花了几分钟绕圈驾驶后，Foley 开始行动。早上早些时候，Giorgos 提到他非常喜欢在该地区潜水，于是 Foley 以他典型的同事风度建议他现在正是潜水的好时机，并补充道：“介意我开车吗？” Foley 掌舵，将发动机调至空转。船速减慢，在温和的海浪中摇晃，向南驶向迪亚岛的黄色悬崖。温度约为 80 华氏度，水下能见度约为 100 英尺。现在至少可以控制一些东西了，Foley 看起来很舒服，甚至很开心。

不过，如果可以选择的话，Foley 不会在天气好的时候待在小船上。他甚至不会待在大船上。相反，他会坐在伊拉克利翁的瓷砖露台上，仔细研究他的机器人收集的最新数据。

海洋考古学只是高通量技术的最新受益者，这是几十年前在计算机科学和制造业中开始的数据收集和分析革命。这种方法在科学领域取得的最著名进展是人类基因组计划，这是一项于 1990 年启动的政府计划。在 13 年的时间里，研究人员将对构成人类 DNA 的 33 亿个化学碱基对和 25,000 个基因进行测序。高通量筛选的基础是自动化。机器人系统地收集数百、数千甚至数百万个数据点，并将它们输入大型计算机进行模式分析。在人类基因组计划中，高通量使科学家能够自动对一段 DNA 的碱基对进行测序。

随着机器人系统和处理能力的进步，高通量筛选变得更快、更可靠。分子生物学以外的科学家已经开始将这些方法应用到他们的领域。例如，药理学家利用这些方法通过同时筛选数百种化合物的生物活性来发现潜在的新药，而人类连接组计划的神经科学家正在绘制健康大脑中 1000 亿个神经元中的许多神经元。这项工作可以揭示大脑整体的连接方式或受损大脑的连接错误。

直到最近，海洋考古学才成为高通量技术不太可能应用的领域。适合该领域的自动化系统尚不存在，收集大量数据集的想法与沉船考古的标准做法背道而驰。大多数考古学家宁愿在一个或几个遗址停留数年，而不是对许多遗址进行粗略调查。由于考古学往往更依赖于解释而不是可量化的数据，因此它经常与其他软科学（如历史和文化人类学）混为一谈。

Foley 正试图将海洋考古学打造成一门硬科学，更接近生物学或物理学。他说，他并不关心如何煞费苦心地检查每一艘沉船。相反，他计划自动发现数百或数千艘沉船，将它们转换成一个大型数据集，然后探究该数据集（而不是沉船本身）以找到问题的答案。

地中海大部分古代沉船残骸不过是一堆双耳陶罐，即用作船运容器的双耳陶罐。但科学家已经开发出从中获取信息的方法。通过检查这些陶罐的大小（曾经是船，早已腐烂）和陶罐的形状，考古学家通常可以确定沉船的起源和年代。沉船的位置可以提示它的目的地。

考古学家通常会将地中海沉船的年代确定为罗马或拜占庭时代，那时海上贸易已经很发达。虽然这些对 Foley 来说是有用的数据点，但他特别关注的是寻找青铜时代的沉船，这些沉船的年代为公元前 3500 年至公元前 1200 年。它们是该地区第一批航海船只，因此它们的位置和内容可以表明当时哪些文化相互接触。但它们极其罕见。

“Foley 正试图将海洋考古学打造成一门硬科学，更接近生物学或物理学。”Foley 以数据为主导的海洋考古学方法并非全新。例如，1992 年，考古学家 AJ Parker 编目了地中海所有已知的 1,259 艘沉船。但 Foley 表示，这些数据还很初级，而且数据收集方式不一致，很难将一艘船与另一艘船进行比较（一些沉船是众所周知的发掘物；另一些则是海绵潜水员偶然发现的，与专家发掘的沉船不同，可能没有按年龄或来源进行正确分类）。Foley 的机器人将收集统一的数据，以便考古学家可以直接将一艘沉船与另一艘沉船进行比较。

在描述他的工作时，Foley 可以让高通量考古听起来很简单，好像地中海所有沉船的海图绘制、数字化和存储只是时间问题。但事实并非如此。Foley 的方法未经证实，技术难度高且成本高昂。他为期一个月的克里特岛探险花费了大约 50 万美元——这是他整个年度预算——大多数考古学家会分五年支付这笔钱。为了支付机器人和操作机器人所需人员的费用，Foley 像大多数海洋科学家一样，向美国国家科学基金会和美国国家海洋与大气管理局申请资助。但他的大部分资金来自其他来源，主要是私人捐助者。在不搜寻沉船时，Foley 正在争取潜在的捐助者。仅去年一年，他就参加了数十场筹款活动。

对于大多数科学家来说，Foley 强调私人筹款的做法并不常见，但他却毫不掩饰地这么做。事实上，他正在努力将年度预算增加五倍，达到 250 万美元。“为什么物理学家可以拥有像 CERN 这样价值数十亿美元的设施，而考古学家却没有？”当我问他高昂的价格时，他说道。“你真的关心什么是介子吗？除了物理学家，还有人真的关心什么是介子吗？我认为，了解什么是人性同样重要，甚至可能更重要。”

迪亚考察结束后几天，格雷格·帕卡德在伊拉克利翁海域即兴演示了机器人操作。帕卡德是马萨诸塞州伍兹霍尔海洋研究所的一名瘦削工程技术员，他站在研究船 Alkyon 的船尾，用一根杆子戳着一枚五英尺长的黄色鱼雷，鱼雷就在他够不着的地方。这枚鱼雷实际上是一枚 Remus 100，这是一台价值 375,000 美元的自动机器人，从伍兹霍尔借来，配备了摄像机。在 80 分钟的调查进行了三分之一时，机器人出现了漏水。它自动中止了任务并返回船上。帕卡德试图用杆子把机器人顶部钩成一个环，这样他就可以把它拉向 Alkyon 的绞盘并将其带上船。

经过多次戳刺和绞盘操作，以及另一位技术人员的帮助，帕卡德终于把这艘重达 80 磅的机器人搬到了 Alkyon 号的甲板上，并装进了一个破旧的探险箱里。然后，他和几位希腊同事从船尾发射了第二艘 Remus，这艘机器人配备了声纳。帕卡德用一台加固笔记本电脑测试了它的跟踪系统，机器人在水面上游了一会儿，然后它就潜入水下，消失在人们的视线中，驶向一片未经勘探的海底。

Foley 的数据收集系统就是围绕这两台 Remus 机器人构建的。配备声纳的“声学”Remus 首先扫描海底。它以网格模式在水面以下 328 英尺处行进，同时其传感器向海底发射声纳波束。这些信号从固体物体（包括大型鱼类、岩石和沉船）上反射，在生成的图像中产生高光和阴影。在这次航行中，声学 Remus 与 Alkyon 船体上安装的多波束声纳相得益彰。借助它，团队扫描了大片海底，尽管分辨率低于声学 Remus。

如果帕卡德在声纳数据中发现可能表明有船只沉没的阴影，他就会派出配备摄像机的 Remus。声纳图像可能难以读取，因此必须使用视频检查潜在的沉船。一旦确认有船只沉没，潜水队就会潜入现场并拍摄数百张照片。之后，一名研究生会将这些照片以数字方式拼接在一起，并在“照片马赛克”上标注位置和深度数据。

在陆地上，让机器人收集数据并用计算机分析数据听起来是个好主意，但在实地探索中，挑战很多。首先，地中海面积巨大。按照他目前的速度，Foley 需要 2,658 年才能绘制出整个海底地图。其次，地中海海底的许多区域都是动态的，流沙会覆盖那里可能存在的一切。第三，机器人的传感器无法在靠近海底斜坡的岛屿和海岸附近工作，而这些地方正是许多沉船发生的地方。这些地区需要潜水队，从而减慢了探索速度。加快潜水速度的装备价格昂贵。每个推进器售价 3,500 美元，每个呼吸器售价 15,000 美元；Foley 这次旅行带了四个推进器和六个呼吸器。

如果 Foley 成功克服这些挑战并收集数据，那么他将面临另一个障碍：如何分析数据。他还没有确定自己的方法。当我问他时，他说数据分析是他选择“推迟”的问题。他确实说过，一种可能性是创建图像识别软件，可以识别船只大小和双耳瓶形状，按时代和来源对沉船进行分类，并将其与位置数据和潜在目的地相关联。例如，通过这种方式，他可以识别爱琴海南部所有青铜时代的沉船。如果这个集合足够大，数据中的模式可能会提出 Foley 甚至没有想到要问的问题。

当帕卡德和我坐在 Alkyon 号上等待声学 Remus 号完成勘测时，一艘渔船出现在船头几英里外。帕卡德从船舱里走出来，他一直在用笔记本电脑监视 Remus 号，然后看着这艘渔船。他皱着眉头走回船舱，输入了几条指令，重新编程 Remus 号，让它驶向更安全的水域，这样渔民就不会把它和猎物一起网住。

加州大学洛杉矶分校专门研究科学量化的历史学家西奥多·波特 (Theodore Porter) 表示，一个领域从解释性科学转向数据驱动科学并非史无前例。波特说，地理学就是一个变得高度量化和数据驱动的领域的例子。在过去五十年中，绘图技术和静态制图学已经与地理信息系统融合，后者从众多来源提取数据来创建数字交互式地图。经济学也从一门解释性科学转变为一门由数学驱动的科学（尽管这种转变有多成功取决于你问谁）。

哈佛大学考古学家兼历史学家迈克尔·麦考密克表示，几十年来，考古学家一直在转向更定量的方法。他们已经使用放射性碳测年和 DNA 分析等技术将实物转化为数据。Foley 的方法是下一步。

采取这一步骤后，它将创建一个自我延续的数据反馈循环。数据越多，选择就越多。考古学家不需要亲自访问每艘沉船来确定它是否值得探索。只针对重要沉船的能力将带来更有成效的挖掘，这反过来将产生更多的数据来分析和交叉引用，从中可以得出进一步描述古代世界的模式。

高通量考古不会取代挖掘等较旧的技术。麦考密克说，这些方法是互补的。“一艘经过精心挖掘并发表的沉船就像一个奇妙的时间胶囊，记录了它沉没的时间和地点，以及它航行的目的地和出发地，”他说。“但 100 艘沉船，即使我们对每艘沉船都只了解一点点，也会给我们提供一种完全不同的证据，我们可以将其与精致、独特和罕见的完全挖掘的沉船进行比较。它们将相互启发。”

希腊探险队离开两周后，我打电话给 Foley，询问我离开后情况如何。他正在为雅典美国古典研究学院的理事们准备一份报告。“我们的表现相当不错，”他说。一个月内，团队发现了八艘沉船。当然，其中三艘是现代沉船，五艘古代沉船中，有一艘是罗马船，之前库斯托在迪亚岛上的工作中就发现了它。潜水员和机器人都没有发现青铜时代的沉船。

尽管如此，Foley 表示他并不气馁。四艘新的古代沉船加上库斯托号沉船，为他的数据库增加了五个数据点。他说，他的捐赠者知道找到一艘青铜时代的船只的可能性很小。他说，声学 Remus 找到了一艘船，这让他感到很鼓舞——他说，这证明他的系统会奏效。

早在离开克里特岛之前，Foley 就计划好了来年进行几次探险。今年春天，他可能会首次勘测阿尔及利亚海域。他的阿尔及利亚同事将使用船载声纳寻找水下地震断层；Foley 指望声纳能在这一过程中找到几艘沉船。他还在努力与埃及和利比亚建立新的联系，因为去年与他谈判的那些人已在阿拉伯之春中被赶下台。

Foley 表示，他还计划扩大自己的机器人舰队，增加更大的 AUV，比如 Remus 6000，它可以下潜到 19,685 英尺深。增加的机器人将使他能够探索许多新地形，甚至可能是地中海最深的区域。

“100 艘沉船，即使我们对它们知之甚少，也能给我们提供完全不同的证据。”在克里特岛探险之后，Foley 发现了 34 艘古代沉船，其中一些是通过常规方法发现的，而他的潜水员和 AUV 则在他的数据库中发现了其他沉船。虽然这与 300,000 艘沉船相差甚远，但这并不是否定他工作的理由。尽管他很想这样做，但 Foley 实际上并不需要对所有 300,000 艘沉船进行分类。他只需要几百艘或几千艘沉船就能在一系列查询中获得统计意义。有了更多的机器人和更多的资金，他就能做到这一点。即使他没有这样做——即使 Foley 每年只是将少量沉船添加到他的数据库中——他也计划在未来 25 年左右继续他的工作。“我不会去别人的实验室问他们所做的事情是否值得做，”他说。 “如果你可以筹集资金，出去做你的项目并发表你的论文，你还需要什么更多的验证呢？”