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科學鑑識為歷史古物解密!——國立故宮博物院登錄保存處陳東和博士專訪

科技大觀園_96
・2021/10/07 ・4055字 ・閱讀時間約 8 分鐘
悉心解說策展內容的陳東和博士。圖/李先泰攝

大部分的人聽到「古物展覽」四字,腦海中浮現的印象,恐怕與故宮大門前綿延的階梯一般,給人某種莊嚴而不可褻玩焉的距離感。但事實上,古物的價值不只在於它度過的年月,而是它當初被使用的方式,如何訴說了古代人生活的樣貌?又對現在的我們有何種啟示?如果說,古物上的每一道刻痕,都是訴說歷史的語言,那我們又該用何種方式解讀呢?


歡迎來到「古物科學鑑定」的思考領域!故宮研究員們的其中一項課題,就是利用科學技術分析古物,不但可以推導它當初的製作方式,更可以鑑定出它的前世與今生!任職於故宮登錄保存處的陳東和博士,在採訪當天特地為我們親自導覽,就一起來看看古物分析的案例吧!

故宮也有科學實驗室?

近年來國立故宮博物院因應文物保存修復、展覽、工藝史研究、出版及文物徵集之需要,文物科學鑑識分析扮演了關鍵角色,更藉此釐清了過去從被解密的答案,如龍藏經、西清續鑑鏡匣的保存與工藝技術;象牙球、轉心瓶、青銅器等內部結構與製作工藝等等。

陳東和博士所屬的登錄保存處文物科學研究分析實驗室,就是故宮專屬的科學鑑識單位。以西清續鑑鏡匣修復工作為例,其利用顯微拉曼光譜[註1]等技術進行「非破壞檢測」,分析出銅鏡畫像中所使用的顏料成分,甚至可以推導出蟲蛀蝕會避開畫像某些部位的原因。

而為使各年齡層大眾對文物科學鑑識有所認識,本次《古物揭秘展》展以「利用科技為古物揭密」為主軸,結合牆面輸出、 動畫影片、互動式多媒體等形式,呈現故宮近來文物科學鑑識成果,展期將至11月30日為止。

展間內有各類互動物件,期盼引導大小朋友「自己找答案」。圖/李先泰攝

科學鑑識與歷史古物的相遇

本次《古物揭秘展》分為三大主軸,分別為「探究齋」、「實驗閣」與「解密樓」。

「探究齋」介紹文物科學鑑識的廣泛用途,包括保存修復、徵集鑑識、與古代工藝技術探究等等;一句話來說,文物科學鑑識就是要透過現代科技分析古代文物,以了解文物的材料與工藝技術、製作年代與來源等,並藉此回答各項古物的研究問題。

以文物修復與文物徵集為例,文物修復師需要知道古物的材料才得以正確地進行修復,而文物徵集也需要確認文物的保存狀態與真偽的辨別,科學鑑識的工具在此時幫上大忙。

「實驗閣」則是介紹科學鑑識的分析技術,可略分為影像、成份及結構分析三大類,儀器種類甚多,包括X光電腦斷層掃描儀、顯微拉曼光譜儀、傅立葉轉換紅外光光譜儀、3D立體光學顯微儀等等。

「解密樓」則是展覽重點,由於文物科學實驗室所分析、解密過的文物高達上百件,現場便將介紹的重點放在幾項經典文物,如〈清晚期 雕象牙透花人物套球〉、〈清 乾隆 洋彩黃錦地葫蘆形交泰轉心瓶〉,以及〈春秋晚期 鄝公鼎〉等等。

「實驗閣」的牆面設計,說明了古物鑑識的目的。圖/李先泰攝

X光斷層掃描,揭開「象牙球」的18層秘密

陳東和以〈清晚期 雕象牙透花人物套球〉(簡稱象牙球)為例來解說,象牙球產於中國廣東,是以象牙作為原料,透過繁複的雕工所刻出來的球狀陳設器,不僅被進貢到清宮,其精湛的工藝更被西方視為清代工藝的代表,一度大量外銷至歐陸。而藉由現代鑑識科技,我們得以更深入了解這項精緻的工藝品。

故宮內展示的「象牙球」真身。圖/李先泰攝

陳東和提到,在過去,研究人員往往只能仰賴肉眼與經驗,或者憑藉既有文獻拼湊古物的身世,也因此導致許多懸而未決的問題。他笑說,「象牙球擺在肉眼前,我們最了不起看到第四、五層,以前還要用竹籤去慢慢剝算有幾層」,如今,然而,透過X光電腦斷層掃描的技術,便得以精確地確定象牙球總共有18層,並且透過三維影像重建與處理技術,數位拆解每一顆球,透視每顆球的雕刻紋飾,釐清許多過去難以解答的謎團。

展間的「象牙球互動桌」,便是將每層的剖面輸出到壓克力,再透過光照,讓民眾可以欣賞到每一層相異的樣貌。「文物可能是個工藝的展現,但也有品味、美學的議題,」陳東和也向我們補充,當他授課時,常會與學生分享如何轉換不同的脈絡來理解一件古物,「沒辦法從美學的角度欣賞時,可以轉換從工藝技術的角度掌握,我們也不要忘記它也很有可能是當時的高科技產物。」

展間的「象牙球互動桌」,前方投射在牆面的是象牙球的三維影像。圖/李先泰攝

是「玉」還是「石」?光譜檢測為古物驗明正身

古物揭開的不只是工藝或技術史,更包括當時的國際貿易及文化交流狀況。陳東和以〈黑曜石鏡〉為例解說,〈黑曜石鏡〉是在清代順治皇帝時由傳教士進貢而來。根據故宮器物處吳曉筠研究員的研究,當時順治皇帝找來耶穌會傳教士湯若望協助鑑定。據文獻記載,湯若望當時認為,該鏡是出自於「大西洋屬雅里嗎及賀仁兩國山中」[註2],材質上則屬於建材用途的「巴薩勒得」[註3]。

後繼的乾隆及道光皇帝繼承了這種說法,但在命名上,乾隆因為它外觀之美而以「黑玉鏡」命名,而道光皇帝則稱其為「烏玉鏡」;這塊神秘鏡子的材質,直到來到台北故宮,才在一位美國地質學家的提醒下,被重新認識為「墨晶」,而不是「玉」

爾後藉由吳曉筠研究員的跨國考察,發現其器型與14至15世紀阿茲特克帝國的黑曜石鏡相當一致,僅尺寸大了近10公分。最後,這面鏡子的謎題終於在近四百年後,由故宮的文物科學實驗室所揭曉,經過拉曼光譜檢測後,驗明材質即為黑曜石。

產製於阿茲特克帝國,被視為具有神秘力量、媒介人神溝通的黑曜石鏡,隨著殖民時代的到來,以通靈、占卜工具之姿進入歐洲,再由傳教士當作「奇珍異寶」進貢給清宮。一路從「烏玉鏡」、「墨晶鏡」至「黑曜石鏡」,這趟解密之旅,陳東和解釋,不僅是藉由人文面向的研究與對於材料的科學分析,向我們揭開了古代貿易、文化藝術交流的歷史,曲折的命名歷程,也說明了我們對於古物的認識,乃是隨著當下的知識與技術而演進。

故宮典藏的「黑曜石鏡」。圖/國立故宮博物院提供

回溯古物,更是為了「再往前走一步」

《古物揭秘展》知識轉譯的工程浩大,幕後的推手自然絞盡腦汁。陳東和笑說,在一開始策展時,自己相當貪心,想一股腦地將涉及古物科學鑑識的內容都分享給民眾,幾經考慮後,才決定以科普化為精神,透過趣味的互動式設計,啟發不分年齡層的族群,「很多小朋友看了覺得好玩,他就會把這樣的知識帶著走,未來讓他自己主動尋找答案。」

而從一般人的角度來看,科學鑑識看似與人文歷史各分屬於不同領域,對此陳東和表示:「科學對我來講是人文的一部分,兩者不會是對立的,自己也是因為對藝術感興趣,才會思考科學在這上面可以如何應用。」

古物鑑識的工作,得透過科技儀器協助完成。圖/陳東和提供

陳東和解釋,他在法國唸書時,就發現羅浮宮有設置文物分析實驗室,科學鑑識的技術與人力也相當成熟,便勵志以進入該實驗室為目標。回台後,則將所學貢獻於故宮的文物科學實驗室。談及科學鑑識時,他特別解釋,科技與人文是互補的,倘若科學鑑識沒有豐厚的人文知識支撐,則容易造成誤判的結果,「科學鑑識不是像影印機,單純按一個鍵就跑出結果的。」他說,畢竟關鍵在於如何形成研究的問題意識,而不是為了科學鑑識而鑑識。

其實只要談起科學鑑識的過程,陳東和都藏不住期待與人分享的神色,「老實說,每次成功解開文物謎題都特別開心,因為每一件都有各自的故事;或是建立起鑑識系統,就覺得為台灣的科學鑑識領域做出一些貢獻。」

古物究竟有什麼引人之處?可以為生活在當今的我們帶來什麼收穫?陳東和說,古物跟文獻一樣,是人類過去活動的智慧結晶,同時也是反映精神層面的物質存在;而研究古物,「則是探問我們是如何走到現在的?回溯,更是為了再往前走一步。」

註釋

  1. 一種分子結構分析技術。物質受雷射光激發其內部分子會產生振動,分析這些分子振動散射光譜,就能瞭解其分子結構,判定材質種類,是一種快速而非破壞、非接觸的分析方式,廣分運用於多種文物材料分析,如玉石、顏料或陶瓷中的礦物成分等。
  2. 據參考文獻1推測,「雅里嗎」與「賀仁」為德國及希臘的音譯。
  3. 據參考文獻1推測,「巴薩勒得」為拉丁文的「玄武岩」的音譯。

參考文獻

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為妥善保存多年來此類科普活動產出的成果,並使一般大眾能透過網際網路分享科普資源,科技部於2007年完成「科技大觀園」科普網站的建置,並於2008年1月正式上線營運。 「科技大觀園」網站為一數位整合平台,累積了大量的科普影音、科技新知、科普文章、科普演講及各類科普活動訊息,期使科學能扎根於每個人的生活與文化中。


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什麼是「造父變星」?標準燭光如何幫助人類量測天體距離?——天文學中的距離(四)

CASE PRESS_96
・2021/10/22 ・3033字 ・閱讀時間約 6 分鐘
  • 撰文|許世穎

「造父」是周穆王的專屬司機,也是現在「趙」姓的始祖。以它為名的「造父變星」則是標準燭光的一種,讓我們可以量測外星系的距離。這幫助哈柏發現了宇宙膨脹,大大開拓了人們對宇宙的視野。然而發現這件事情的天文學家勒梅特卻沒有獲得她該有的榮譽。

宇宙中的距離指引:標準燭光

經過了三篇文章的鋪陳以後,我們終於要離開銀河系,開始量測銀河系以外的星系距離。在前作<天有多大?宇宙中的距離(3)—「人口普查」>中,介紹了距離和亮度的關係。想像一支燃燒中、正在發光的蠟燭。距離愈遠,發出來的光照射到的範圍就愈大,看起來就會愈暗。

我們把「所有發射出來的光」稱為「光度」,而用「亮度」來描述實際上看到的亮暗程度,而它們之間的關係就是平方反比。一旦我們知道一支蠟燭的光度,再搭配我們看到的亮度,很自然地就可以推算出這支蠟燭所在區域的距離。

舉例來說,我們可以在台北望遠鏡觀測金門上的某支路燈亮度。如果能夠找到到那支路燈的規格書,得知這支路燈的光度,就可以用亮度、光度來得到這支路燈的距離。如果英國倫敦也安裝了這支路燈,那我們也可以用一樣的方法來得知倫敦離我們有多遠。

我們把「知道光度的天體」稱為「標準燭光(Standard Candle)」。可是下一個問題馬上就來了:我們哪知道誰是標準燭光啊?經過許多的研究、推論、歸納、計算等方法,我們還是可以去「猜」出一些標準燭光的候選。接下來,我們就來實際認識一個最著名的標準燭光吧!

「造父」與「造父變星」

「造父」是中國的星官之一。傳說中,「造父」原本是五帝之一「顓頊」的後代。根據《史記‧本紀‧秦本紀》記載:造父很會駕車,因此當了西周天子周穆王的專屬司機。後來徐偃王叛亂,造父駕車載周穆王火速回城平亂。平亂後,周穆王把「趙城」(現在的中國山西省洪洞縣一帶)封給造父,而後造父就把他的姓氏就從本來地「嬴」改成了「趙」。因此,造父可是趙姓的始祖呢!(《史記‧本紀‧秦本紀》:造父以善御幸於周繆王……徐偃王作亂,造父為繆王御,長驅歸周,一日千里以救亂。繆王以趙城封造父,造父族由此為趙氏。)

圖一:危宿敦煌星圖。造父在最上方。圖片來源/參考資料 2

回到星官「造父」上。造父是「北方七宿」中「危宿」的一員(圖一),位於西洋星座中的「仙王座(Cepheus)」。一共有五顆恆星(造父一到造父五),清代的星表《儀象考成》又加了另外五顆(造父增一到造父增五)。[3]

英籍荷蘭裔天文學家約翰‧古德利克(John Goodricke,1764-1786)幼年因為發燒而失聰,也無法說話。1784 年古德利克(John Goodricke,1764-1786)發現「造父一」的光度會變化,代表它是一顆「變星(Variable)」。2 年後,年僅 22 歲的他就當選了英國皇家學會的會員。卻在 2 週後就就不幸因病去世。[4]

造父一這顆變星的星等在 3.48 至 4.73 間週期性地變化,變化週期大約是 5.36 天(圖二)。經由後人持續的觀測,發現了更多不同的變星。其中一群變星的性質(週期、光譜類型、質量……等)與造父一接近,因此將這一類變星統稱為「造父變星(Cepheid Variable)」。[5]

圖二:造父一的亮度變化圖。橫軸可以看成時間,縱軸可以看成亮度。圖片來源:ThomasK Vbg [5]

勒維特定律:週光關係

時間接著來到 1893 年,年僅 25 歲的亨麗埃塔‧勒維特(Henrietta Leavitt,1868-1921)她在哈佛大學天文台的工作。當時的哈佛天文台台長愛德華‧皮克林(Edward Pickering,1846-1919)為了減少人事開銷,將負責計算的男性職員換成了女性(當時的薪資只有男性的一半)。[6]

這些「哈佛計算員(Harvard computers)」(圖三)的工作就是將已經拍攝好的感光板拿來分析、計算、紀錄等。這些計算員們在狹小的空間中分析龐大的天文數據,然而薪資卻比當時一般文書工作來的低。以勒維特來說,她的薪資是時薪 0.3 美元。順帶一提,這相當於現在時薪 9 美元左右,約略是台灣最低時薪的 1.5 倍。[6][7][8]

圖三:哈佛計算員。左三為勒維特。圖片來源:參考資料 9

勒維特接到的目標是「變星」,工作就是量測、記錄那些感光板上變星的亮度 。她在麥哲倫星雲中標示了上千個變星,包含了 47 顆造父變星。從這些造父變星的數據中她注意到:這些造父變星的亮度變化週期與它們的平均亮度有關!愈亮的造父變星,變化的週期就愈久。麥哲倫星雲離地球的距離並不遠,可以利用視差法量測出距離。用距離把亮度還原成光度以後,就能得到一個「光度與週期」的關係(圖四),稱為「週光關係(Period-luminosity relation)」,又稱為「勒維特定律(Leavitt’s Law)」。藉由週光關係,搭配觀測到的造父變星變化週期,就能得知它的平均光度,能把它當作一支標準燭光![6][8][10]

圖四:造父變星的週光關係。縱軸為平均光度,橫軸是週期。光度愈大,週期就愈久。圖片來源:NASA [11]

從「造父變星」與「宇宙膨脹」

發現造父變星的週光關係的數年後,埃德溫‧哈柏(Edwin Hubble,1889-1953)就在 M31 仙女座大星系中也發現了造父變星(圖五)。數個世紀以來,人們普遍認為 M31 只是銀河系中的一個天體。但在哈柏觀測造父變星之後才發現, M31 的距離遠遠遠遠超出銀河系的大小,最終確認了 M31 是一個獨立於銀河系之外的星系,也更進一步開拓了人類對宇宙尺度的想像。後來哈柏利用造父變星,得到了愈來愈多、愈來愈遠的星系距離。發現距離我們愈遠的星系,就以愈快的速度遠離我們。從中得到了「宇宙膨脹」的結論。[10]

圖五:M31 仙女座大星系裡的造父變星亮度隨時間改變。圖片來源:NASA/ESA/STSci/AURA/Hubble Heritage Team [1]

造父變星作為量測銀河系外星系距離的重要工具,然而勒維特卻沒有獲得該有的榮耀與待遇。當時的週光關係甚至是時任天文台的台長自己掛名發表的,而勒維特只作為一個「負責準備工作」的角色出現在該論文的第一句話。哈柏自己曾數度表示勒維特應受頒諾貝爾獎。1925 年,諾貝爾獎的評選委員之一打算將她列入提名,才得知勒維特已經因為癌症逝世了三年,由於諾貝爾獎原則上不會頒給逝世的學者,勒維特再也無法獲得這個該屬於她的殊榮。[12]

本系列其它文章:

天有多大?宇宙中的距離(1)—從地球到太陽
天有多大?宇宙中的距離(2)—從太陽到鄰近恆星
天有多大?宇宙中的距離(3)—「人口普查」
天有多大?宇宙中的距離(4)—造父變星

參考資料:

[1] Astronomy / Meet Henrietta Leavitt, the woman who gave us a universal ruler
[2] wiki / 危宿敦煌星圖
[3] wiki / 造父 (星官)
[4] wiki / John Goodricke
[5] wiki / Classical Cepheid variable
[6] wiki / Henrietta Swan Leavitt
[7] Inflation Calculator
[8] aavso / Henrietta Leavitt – Celebrating the Forgotten Astronomer
[9] wiki / Harvard Computers
[10] wiki / Period-luminosity relation
[11] Universe Today / What are Cepheid Variables?
[12] Mile Markers to the Galaxies

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CASE的全名是 Center for the Advancement of Science Education,也就是台灣大學科學教育發展中心。創立於2008年10月,成立的宗旨是透過台大的自然科學學術資源,奠立全國基礎科學教育的優質文化與環境。
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