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如何利用宇宙粒子「渺子」,找到金字塔內的神秘大空間?──《科學月刊》

科學月刊_96
・2018/01/11 ・2098字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 538 ・八年級

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張敏娟/任職輔仁大學物理系副教授兼任副教務長。《科學月刊》副總編輯。

古埃及人建造金字塔,相傳是過世的法老(國王)陵墓。金字塔陵墓基座為正方形,四面由四個相等的三角形構成。金字塔既然主要用途是為了讓法老可以安心往生,其象徵的宗教意義也相對強烈。

古埃及人所建造的金字塔號稱古代世界七大奇蹟之一,仍存有許多未解之謎。圖/Cezzare@pixabay

有座相當有名、位於埃及吉薩市的胡夫金字塔(Great Pyramid of Giza,又稱「大金字塔」、「奇歐普斯金字塔」、「古夫金字塔」),相傳是胡夫法老王死後安放墳墓的地方。目前該金字塔,是全球觀光客的愛好景點、號稱古代世界七大奇蹟之一,同時也是唯一一個依然存在於現代的奇蹟。

47 層樓高的大金字塔

這座胡夫金字塔由約 230 萬塊巨石所建成,高度約 140 公尺、底邊長約 230 公尺。科學家們相當好奇這座金字塔是怎麼蓋起來的?以現在一層樓高 3 公尺來粗估,這座金字塔約47 層樓高,實在驚人,到底4500 年前的埃及人是怎樣做到的?

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若是以現代文獻推估,這座金字塔是利用20 年的時間建造而成,230 萬塊巨石除以 20 年,平均每小時需將 13 塊巨石安裝到位,且必須日夜不休。更驚人的是,古埃及學家皮特里(Flinders Petrie)於 1880~1882 年對金字塔進行了第一次精確的測量,他的報告指出金字塔外部的石壁與內部墓室的石材都被高度精準地組合在一起,石塊與石塊之間的空隙平均只有 0.5 公分。

埃及學家皮特里(Flinders Petrie)是古埃及文明的研究先驅,留下了許多珍貴的紀錄。圖/Stephencdickson@wikipedia

這 230 萬塊巨石,約用了 550 萬噸石灰石、800 噸花崗岩和 50 萬噸的灰泥,當作石材。外包石塊則用打磨過的白色石灰石包起來,然後經過仔細切割。依照石材的材料,推估工人需要從採石場挖掘、再透過尼羅河運送到金字塔地點。古埃及學家提出,工人們應該是利用關鍵路徑法運送石塊。運送這些石塊時,因為沒有發現古埃及工人使用滑輪、輪子或鐵器,很可能是直接用人力慢慢移動石塊重心,以左右搖擺的前傾姿態,用人力以接力賽的方式拉過去金字塔建造地。

早期有學者提出金字塔是由大量的奴隸建造的,然近代則藉由找到建造金字塔工人的生活用品,改而認為建造者是一群優秀的工匠,而且過著不錯的生活與擁有不錯的社會地位。畢竟需要聰明的頭腦與精準計算過的設計圖,不太可能是受到日夜虐待的血汗奴隸做的,反倒是過著不錯生活的快樂工匠才比較有可能做到。

利用渺子探測金字塔內部構造

回到胡夫金字塔的內部結構,早期考古學家透過各種方式,找到了入口、王后墓室、大走廊和國王墓室等,也發現了盜墓者挖掘的通道。由於擔心古蹟倒塌,科學家盡量減少使用破壞性方式去尋找新通道。

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最新的一篇發表文章,於 2017 年 11 月初發表在《Nature 期刊》,是粒子物理學家們使用渺子(muon)偵測器發現了胡夫金字塔內一個從來沒有被發現過的、跟自由女神像差不多高的超大空間。粒子物理學家們知道大氣中、由宇宙而來的大量宇宙射線中,含有渺子。而渺子可以穿透石頭。渺子是基本粒子標準模型中的輕子,與電子(electron)具有類似特性,但與電子不同的是,渺子質量約為 105 MeV/c2,約是電子質量的 200 倍。渺子帶負電,穿越物質的軌跡訊號,可以藉由渺子偵測器獲得。

只要將渺子偵測器放在金字塔周圍,等待夠長的時間,就能得知由宇宙射線而來的渺子,通過金字塔後,在哪些位置的渺子數量訊號較多、哪些較少,藉此推估出金字塔的內部結構。渺子偵測器在加速器實驗早已廣泛被使用,但是粒子物理學與考古學結合的跨領域,倒是非常特別。

科學家嘗試利用減少使用破壞性方式去了解其構造。圖/作者提供。

這個渺子偵測器放在王后墓室的位置,可以偵測其上方空間的渺子數量。這個計畫開始於 2015 年 10 月,粒子物理學家必須設計一種渺子偵測器,只能使用電池作為長期偵測,因為偵測器放在金字塔裡面。這個研究的目的是想利用渺子偵測器替金字塔照相,照出內部結構透視圖,類似用 X 光替人類拍出骨骼、牙齒的技術。

能利用渺子偵測器替胡夫金字塔拍攝內部結構照,讓很多粒子物理學家感到很羨慕(好吧,至少我很羨慕)。渺子偵測器裡面有閃爍體,閃爍體會在接收到帶電粒子之後,產生光。光訊號透過光電倍增管轉換成電訊號,搜集電訊號就能得知渺子的通過數量,代替人眼,看見渺子訊號。這個被渺子偵測器透過非破壞性的方式偵測出來的超大空間,考古學家們對其存在的位置相當感興趣。

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這個超大空間的位置,在法老墓室走廊通道的正上方,這是為了防止金字塔過重、當作金字塔的減壓室嗎?這麼長的走廊和挑高的空間,是為了放藝術品給法老靈魂觀賞用的嗎?是讓法老靈魂升到天國的通風井嗎?種種的疑惑,在發現了這件事之後,引發諸多研究聯想。

 

 

 

〈本文選自《科學月刊》2018年1月號〉

什麼?!你還不知道《科學月刊》,我們48歲囉!

入不惑之年還是可以當個科青

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快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

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連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

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在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

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地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

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地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

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許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

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地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

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此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

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金字塔和獅身人面獸——遊走在埃及古文明之中│環球科學札記(17)
張之傑_96
・2021/03/10 ・2103字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 525 ・七年級

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  • 文/張之傑

和平號從新加坡駛往馬來西亞檳城途中,五月一日(週三)下午四時至五時十五分,在百老匯廳聽領航人河江肖剩的演講。所謂領航人,就是特聘隨船專家。

河江從新加坡上船,到埃及後下船,和平號負責來往機票,在船上期間不付薪酬,只免費供給食宿。河江是位研究金字塔的青年考古學家,曾獲選美國國家地理雜誌二○一三年傑出新人獎。

河江肖剩的演講,由 Abelon 即席英語、華語翻譯。河江以他自己的研究經歷為主,只有推論,沒有結論。演講過後有人提問:「從小就聽說金字塔是奴隸蓋的,是否如此?」河江回答:「是不是奴隸不得而知,只知它們吃得很好,有麵包和肉、魚,攝取的卡路里足夠幹活。」

吉薩金字塔群

五月十六日,和平號抵達賽得港。翌日我們搭遊覽車前往開羅,上午參觀埃及博物館,午餐在貫穿開羅市區的尼羅河河畔的船上餐廳用餐,然後到一家莎草紙畫店待了約半小時,接著前往參觀吉薩金字塔群。吉薩是開羅的一塊高地,海跋約六十公尺,是片小沙漠。

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吉薩金字塔群,攝自金字塔群西南側。自左往右,依次為孟卡拉、卡夫拉、古夫金字塔。近處三座小型塔為后妃金字塔。Ricardo Liberato 攝。圖:Wikipedia

想不到吉薩金字塔群距離市區那麼近,車程約十分鐘就到了。這裡矗立著古王國時期第四王朝的三位法老——古夫、卡夫拉和孟卡拉的金字塔。金字塔參觀券每張一六○埃及磅,約折合美金十點五元。售券處就在最大的一座金字塔——古夫金字塔外面。

古夫金字塔

在金字塔區域,我們只在三處停留,每處半小時。第一處是古夫金字塔,也是我們唯一接近的一座。這是古希臘「世界七奇」唯一存留至今的建築,原本高一四六點五米(今高一三八點八米),古埃及第四王朝的第二位法老所建,迄今約四千五○○年。

古夫金字塔由方形或矩形石灰岩疊成,作階梯狀。其外原本包覆著一層白色石灰岩外殼,所以坡面原本是平整的。因地震和人為因素,外殼已經不存。堆疊金字塔的石塊大小不一,底部的石塊目測高約一百五十公分。過去在書上看過詳細的的數據,但百聞不如一見,只有緊挨著金字塔,才能感受那些石塊的體量及厚重。

三十分鐘一轉瞬就過去了,遊覽車將我們載到金字塔觀景台,這裡最適合眺望三座金字塔,以及幾座后妃小型金字塔。最大的一座當然是古夫金字塔,其次是中間那座,即古夫繼承者卡夫拉法老的金字塔,其頂端仍殘留著白色石灰岩外殼,藉此可以摹想三座金字塔的原貌。

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站在古夫金字塔正面(北側)告示牌下。遊客可延著很窄的台階,攀登至門洞處。某船友攝

雖然才五月,據導遊說,昨天開羅氣溫三十七度,今天可能更高。氣溫雖高,但因氣候乾燥,汗水一離開身體就揮發殆盡,所以很少流汗。其實最讓人受不了的不是熱,而是耀眼的陽光。即使戴著帽子和太陽眼鏡,仍然抵擋不住。炎陽使得手機的螢幕幾乎顯不出影像。

金字塔內部用了大量花崗岩。在古夫金字塔參觀時,就發現地上散佈著花崗岩碎石塊,有些一面有敲鑿痕跡,一面是石材的外皮。金字塔的花崗岩石材是從遙遠的下埃及運來的,很可能是將原始石材運到現場,再由石匠敲鑿整齊。如果以上推測正確,這些碎石塊的意義就非比尋常。不知有沒有學者這樣推測過?

遙觀結束,遊覽車把我們載到金字塔的後方,這才發現金字塔和市廛之間只隔著一條馬路!附近還有家百勝客披薩店呢!獅身人面像就是中間那座金字塔(卡夫拉金字塔)的守護神。

人面獅身像

據導遊說,當年修建金字塔時,基地前方有塊巨石,法老認為有礙觀瞻,下令移除。負責修造金字塔的大臣上奏,巨石實在太大,移除不了。法老的一位妃子就建議把它雕成守護陵墓的獅身人面像。

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所謂巨石,可能是座小山崗。設計者或許將小山崗的中央部份雕成獅身人面像,其餘部份挖成低凹的平台,獅身人面像就坐落在平台上。金字塔門票包含獅身人面像。導遊帶領我們步下石階,進入低矮的、由花崗岩砌成的神殿。轉了幾個彎,登上石階,獅身人面像赫然就在眼前。

獅身人面像的正面及兩側設有圍欄,後方(屁股)則無圍欄。兩側和後方設有維修鷹架,但沒看到工人。維修工作似乎在風化嚴重的部位砌上磚狀石材。獅身人面像原本應該渾然一體,不會在某些地方包上石料。

獅身人面獸像南側,後有維修鐵架。遠處金字塔為古夫金字塔。作者攝

獅身人面像雖不能靠近,但仍可看出由砂岩構成。獅身人面像四周,原本似乎有花崗岩巨石砌成的低矮圍牆。獅身人面像靠近停車場和市街一側,現築有磚砌圍牆,從牆外無法窺其究竟。

過去從畫冊上看到的獅身人面像,都是巋然獨立地俯臥在金字塔前,未曾看過連同周遭環境的鏡頭。如今我來了,我看到了,看出金字塔連同獅身人面像其實並沒遠離城市。可惜我們只有半小時,沒時間多做觀察。

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圖坦卡門法老之死——埃及博物館的所見所聞│環球科學札記(16)
張之傑_96
・2021/03/03 ・1908字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 520 ・七年級

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  • 文/張之傑

自從一再調整時差,本來就起得早。前往開羅參觀埃及博物館和金字塔那天(五月十七日),清晨五時十五分集合,不到四時就醒了。

賽得港距離開羅約三小時車程,遊覽車迤邐排開,總共約三十輛。我們搭乘第十三車,導遊名叫那因,暱稱李小龍,個子高瘦,出身開羅大學中文系,沒到中國留過學,可是華語說得很溜。

這路程沒人自由行,少數乘客搭乘飛機前往,費用當然高得多。我們約五時四十分開車,車隊由兩輛警車開道,每輛車上還有一名觀光警察坐鎮。車隊浩浩蕩蕩地開出賽得港,不久就上了和運河平行的高速公路,直奔埃及首都開羅。

埃及博物館見聞

這天是回教的安息日(週五),一路未曾堵車,九時以前就到達埃及博物館。導遊去買門票,約耗費約半小時才為第十三車上的人買到票。一人發兩張票:門票和攝影票。門票三百埃及磅,折合美金二十元。攝影票五十埃及磅,折合美金約三點三元。錄影的話,還要另外買錄影票,每張二十美元,我們第十三車沒人買錄影票。

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我們下午要去看金字塔,所以參觀博物館的時間只有兩小時。該館採語音導覽,導遊只能走馬觀花似的重點解說。除了圖坦卡門面具廳及木乃伊廳,其餘可隨意攝影,但放在玻璃櫃子裡的展品,隔著一層玻璃,難免會有反光現象。

我曾仔細看過《世界博物館.埃及博物館》,對該館並不陌生。對我來說,最感興趣的就是不許攝影的兩個展廳:木乃伊廳和圖坦卡門法老。關於圖坦卡門法老,已陸續看過不少文獻,來到他的展廳,有種說不出的親切感。

1922年,英國考古學家霍華德.卡特(Howard Carter)發現圖坦卡門王陵寢,圖為開啟硬木人形棺,露出黃金人形棺的一刻。源自 The New York Times。圖:Wikipedia

圖坦卡門是古埃及新王國時期(紀元前十六世紀至紀元前十一世紀)第十八王朝的一位法老。他只活了十八歲,生前並沒什麼事功,他的陵墓也不大,但迄今為止只有他的陵寢未被盜過。從他陵墓中出土的文物,常送往世界各國展覽,使他成為最為人知的一位法老。

圖坦卡門的陵墓

金字塔原是法老祈求永生之所,但其陪葬品一直為盜墓賊覬覦。自新王國第十八王朝的法老圖特摩斯一世起,不再修建金字塔。新王國的時期的六十多位法老,墓室都藏在一座人稱帝王谷的小山谷裡。墓室分佈山谷兩側,依地勢開鑿,用亂石堵住洞口,外面不留痕跡。

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然而帝王谷的陵墓仍然幾乎都被盜過。一九二二年,英國考古學家霍華德‧卡特(Howard Carter)發現的圖坦卡門法老陵墓,三千多年來從未被盜,出土文物五千餘件,是迄今保存最完好、出土文物最多的一座法老陵墓。

圖坦卡門法老的棺槨共七層。外槨為木質,有四層。其內有三層,分別是石棺、硬木人形棺、黃金人形棺。最內層的黃金人形棺,長一點八三米,寬零點五一米。黃金人形棺上的法老兩臂相互交疊,手裡握著權杖,線刻的守護女神羽翼環繞著金棺,工藝極為精湛。

圖坦卡門王的黃金面具為埃及博物館鎮館之寶,圖為其複製品。Carsten Frenzl 攝。圖:Wikipedia

黃金人形棺內,即圖坦卡門法老的木乃伊,為科學家留下許多線索。圖坦卡門身高約一米八,有輕微兔唇。電腦斷層掃描,發現左腿先天性扭曲,左腳骨還有柯勒病(Köhler disease),即無菌性骨壞死現象,此症好發於男孩,會引起持續性疼痛,因而身體重量通常放在右腳上,導致右腳扁平足。至於右腿,發現右膝有複雜性骨折。

圖坦卡門王墓出土鞋箱及鞋子,埃及博物館展品。作者攝

從圖坦卡門法老木乃伊的骨髓抽取 DNA,檢測之下發現有包括惡性瘧疾的瘧原蟲 DNA,表示他曾感染過幾種瘧疾。對比圖坦卡門之父在內的十六具木乃伊的 DNA,顯示他是近親聯姻所生。法老家族近親結婚十分普遍,法老王認為他們是神的後代,為了保持神聖的血統,崇尚近親結婚。圖坦卡門的妻子就是他的同父異母姐姐。

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圖坦卡門只活了十八歲,於是死因有種種揣測。有人說他從戰車上跌落而死,或被馬踢死,有人說他死於暗殺。二○一三年二月十七日出版的《美國醫學協會雜誌》(JAMA)給出最接近真相的答案:

圖坦卡門是一位因近親通婚所生、患有多種遺傳性疾病的少年,先天足部畸形、兔唇,所以他長得並不帥,還可能常年柱拐,甚至站立都很困難。他可能死於右腿骨折導致的感染,也可能是惡性瘧疾奪走了他的性命。

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