以物理揭開歷史的面紗:聖母百花大教堂內牆藏了甚麼玩意?

以物理揭開歷史的面紗:聖母百花大教堂內牆藏了甚麼玩意?
圖片來源:Wikimedia Commons

我們想讓你知道的是

歷史學家會不惜以任何代價來交換回到過去的能力,然而科學家們已經想出了些巧妙的方法在此時此地拼湊出過往的真實面貌。從古埃及陪葬面具的構造,到梵谷壁畫的真實性和佛羅倫斯大教堂的結構,全球對這些歷史文物的研究都成為了美國物理學會2017年3月及4月大會的主題。

文:林中一(中興大學物理系教授)

歷史學家會不惜以任何代價來交換回到過去的能力,然而科學家們已經想出了些巧妙的方法在此時此地拼湊出過往的真實面貌。從古埃及陪葬面具的構造,到梵谷壁畫的真實性和佛羅倫斯大教堂的結構,全球對這些歷史文物的研究都成為了美國物理學會2017年3月及4月大會的主題。這些研究的成果讓我們對當日製作的這些文物有了更清晰的瞭解。

再看一次,表面之下還有沒有藏了什麼東西

密蘇里大學哥倫比亞分校的布藍蒂.李.麥當勞博士(Brandi Lee MacDonald),是一位轉為古物修復專家的人類學家,他這五年來一直在處理一批來自加拿大麥馬士達大學(McMaster University)的畫作。「這原本並非正業的一個計畫案,但卻像是滾雪球般成了個長期的計畫,而且還一直在增長。」麥當勞在今年一月在美國華盛頓舉行的美國物理學會4月大會上宣告,「這批畫作目前正在加拿大做巡迴展覽,但在今年暑期結束時,我又能繼續對他們做研究了。」

麥當勞博士和她的研究團隊挑選了九幅1400年時期的油畫,運用了物理的分析方法,來為麥馬士達大學的館長回答了藝術史上的核心問題。麥當勞開玩笑的說:「我們足足花了一兩年的時間取得了館長的信任後才能對他說:『嘿,我可以把你們那些價值五百萬美金的畫作放在核子反應爐的爐心嗎?』」。

藉著一套核子造影的技術,研究者可以依據材料的化學指紋圖譜,找出那些畫作是用什麼東西畫出來的。麥當勞博士就運用了一個可以偵測顏料化學組成的手持X光螢光計(XRF),確認了一幅18世紀梵谷的靜物畫是真跡。

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Photo Credit:Dean Calma/IAEA
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X光螢光計(XRF)。(圖片來源:Wikimedia commons)

麥當勞博士進一步解釋:「我們使用了X光螢光計,來瞭解那幅畫上面所用的各種顏料。很幸運的,我們沒有發現任何不是那個時代存在的顏料的跡象,所以可以認定那幅畫並非偽作。」研究團隊也使用X光螢光計的對應系統,去分析一個大小約一至二毫米的斑點,查明了被蓋在下面的成分元素。結果顯現出了相當多量的鉛和水銀,這些是紅色和膚色調顏料的主要成分。

由於那個斑點在目視之下並非皮膚色,這暗示在表面的畫作之下可能還藏有另一幅畫。運用了高解析度的中子放射線攝影術檢驗的結果,果然發現了有另一幅畫藏在下面。這也證實了那位口袋空空的窮光蛋畫家,果然有在重複使用他畫過的畫布。

放射線與文物修復

在洛斯阿拉莫斯國家實驗室(Los Alamos National Laboratory),依蓮娜.瓜迪契里博士(Elena Guardincerri)以及她的研究團隊,計畫重製位於義大利佛羅倫斯有名的聖母百花大教堂(Cathedral of Santa Maria del Fiore)的建築藍圖。然而做為物理學家,他們擁有的主要工具是客製的介子偵測器,來揭露大教堂圓頂的內部結構。 

「檢測的結果發現大教堂的圓頂是雙層而非單層結構,而且很有趣的是,那個圓頂在建造時並沒有先建臨時的支撐結構,」瓜迪契利博士在紐奧良舉行的2017年3月APS大會中解釋道,「圓頂的雙層結構都有裂縫,而且裂縫還繼續在延展……最大的那個裂縫有8公分長。有好幾位我們的團隊成員都還想要在圓頂倒塌之前對之予以補強。」

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聖母百花大教堂(Cathedral of Santa Maria del Fiore)的圓頂。(圖片來源:Wikimedia Commons)

由義大利建築師菲利波.布鲁内萊斯基(Filippo Brunelleschi)所設計、被聯合國教科文組織(UNESCO)列為世界文化遺產的這個圓頂建築,其實有一個超過兩公尺厚的內殼,咸認是只用了磚造和沙岩築成的。沒有人知道裡面是否還有其他的補強結構,像是在兩個殼層之間加了鋼線等等。

有些歷史學家猜測在圓頂內部的牆上有加襯鐵鍊,但是也從無證據證明有這麼一回事。

「有文件顯示在建築圓頂時期有買過好幾千磅重的鐵,但這些鐵基本上已經下落不明,」瓜迪契里博士這麼說:「所以我們團隊想過我們可以用渺子(muon)放射線攝影術,來看看這道牆壁的內部。」

渺子,這個比較重的電子的表兄弟,是宇宙射線和地表大氣層作用後的副產品。渺子有個著名的本事,因為它基本上不太和物質起作用,以致它可以穿透幾百公尺厚的物質。這個特性提供了瓜迪契里博士和她的團隊一個完美的方式,來探測圓頂的雙層結構中間到底還有些甚麼好東西。瓜迪契里博士解釋:「如果我們知道雙層中間夾著材料的厚度,那麼藉著測量散射角,我們就能知道這材料到底是啥玩意兒。」

2015年,團隊在洛斯阿拉莫斯國家實驗室做了一次實彈演習的量測實驗──瓜迪契里博士的學生們,複製了大教堂圓頂內牆最厚的那一部份,並在裡面藏了三支鐵條。兩具渺子追蹤器被放在牆的兩邊,記錄了35天的數據,並依據記錄產生了一組復合的影像。雖然儀器記錄了一整個月的信號,研究團隊在17天後就觀察到了那些鐵條。

瓜迪契里博士把在洛斯阿拉莫斯的彩排結果向佛羅倫斯方面報告,並取得了大教堂主管單位的同意,將新設計的較薄的攜帶型渺子追蹤器裝設於大教堂的圓頂內。這些最後派上場的探測器是在美國的喬治亞理工學院製造的,團隊計畫在2018年的一月開始正式的渺子影像測量。

「我們將在圓頂的幾個選定的部分做測量,每一部份的影像量測將需時一個月,」瓜迪契里博士這麼說,「我們將先取三到四組的影像作為圓頂的切片檢查……如果結果很好而且我們還找到了鐵鍊(或其他甚麼東西),我們就會繼續做全面的檢查看看還有些甚麼破損,作為修復的依據。」

下一世代的埃及歷史學家

頹廢又神秘,古埃及人留下一堆超多樣的奇特歷史遺物給後世──其中有許多都是世界各大博物館及收藏者在收藏品展出時的明星展覽品。在眾多收藏者中,美國伊利諾州芝加哥附近的納珀維爾中央高中(Naperville Central High School),是唯一個擁有一具埃及木乃伊的高中。這具已知有2,000歲的木乃伊被稱做克里歐(Cleo),是大約1940年時一個人捐給學校的,咸信克里歐應該是這個人在某個埃及古董店買到的。 

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Photo Credit: Naperville Central High School
2,000歲的木乃伊被稱做克里歐(Cleo)。(Photo Credit: Naperville Central High School)

美國阿岡國家實驗室(Argonne National Laboratory)的福克.羅斯(Volker Rose),以他在X光螢光計和輻射攝影術的經驗,幫助納珀維爾中央高中的學生檢驗金字塔的材料及克里歐身上取下的樣品,這些實驗是運用裝設在阿岡先進光子源(Argonne’s Advanced Photon Source)的世界級設備做的。

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Photo Credit:ANL
美國阿岡國家實驗室的福克.羅斯在阿岡先進光子源與來自納珀維爾中央高中的學生們一起工作。(Photo Credit:ANL)

「由於這裡談的是個高中生的計畫,我們可沒有辦法有甚麼美國時間和那些典型的研究團隊相比較,」羅斯解釋說:「我們花了大約半年來準備這個計畫,但是我們有雄心要學到很多……我們目前從這個計畫中間所得到的成果已經有期刊論文的水準。」

羅斯和一組挑選出的學生檢驗了埃及金字塔的建築基石,探討金字塔究竟是由灌漿凝結成的鑄石,還是由天然岩石切割出來的石塊所建造。羅斯和他的學生團隊探透過分析石材中通常會有的鋁元素,來探討純正埃及岩石樣品的化學結構。

「在已知的金字塔細微結構中,有跡象指出那些建築基石是灌漿的鑄石,學生們和我研究了地質聚合物以瞭解這些石材的化學成分,希望能對這個被長期爭論的題目提出答案。」羅斯說:「然而,要拿到一塊純正的石材樣品,比我們想像的還要困難。」

羅斯的計畫已在3月底開動,他的學生們將要使用X光螢光的技術,去檢驗蓋在克里歐臉上的陪葬面具是甚麼材料製作的,去回顧一下埃及當時的殯葬人員是如何執行那個時代的文化儀式。

羅斯以在2013年和芝加哥藝術學院的合作而著名。當時他運用顯微鏡技術,揭露了畢卡索是第一個使用一般家用塗料來製作他晚期的作品。這個工作讓羅斯開始連結藝術與科學的熱情,也激起他給年輕一代的高中生一個機會,像是納珀維爾中央高中的學生一樣,透過阿岡實驗室的「典範學生研究計畫」(Exemplary Student Research Programs),去親手使用應用物理的工具做研究。

「科學與藝術文化的遺產,定義了我們之所以為人,所以我認為保護科學與藝術、教導其他人他們是可以由彼此而相互得益是很重要的,」羅斯說道,「與社會大眾和高中生們一齊努力是我們的責任,而這些合作的經歷為我打開了直接與下一代科學家密切互動的大門……這是很令人鼓舞的!」

(本文感謝APS NEWS(美國物理學會)同意以中文形式翻譯轉載,原文刊登於APS NEWS網站

本文經物理雙月刊授權刊登,原文刊載於此

責任編輯:朱家儀
核稿編輯:翁世航