當(dāng)物理學(xué)家決定去“鑒寶”

著名物理學(xué)家、諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者理查德·費(fèi)曼曾在一個(gè)講座中說過：“如果在某次大災(zāi)難里，所有的科學(xué)知識(shí)都要被毀滅，只有一句話可以留存給新世代的生物，哪句話可以用最少的字?jǐn)?shù)包含最多的信息呢？我相信那會(huì)是原子假說（或者原子事實(shí)，或者你愛怎么叫都可以）：宇宙萬物由原子構(gòu)成。”

從古代哲思到現(xiàn)代科學(xué)，原子在人類對(duì)世界本質(zhì)的探索中是一個(gè)居于中心的概念。但除了作為構(gòu)成世間萬物的基礎(chǔ)外，原子身上的“時(shí)間”屬性也對(duì)我們認(rèn)識(shí)世界意義重大。在美國天文學(xué)家大衛(wèi)·J.赫爾芬德的《宇宙計(jì)時(shí)者：小原子中的大歷史》一書中，他就展示了原子“時(shí)鐘”在宇宙學(xué)、人類學(xué)、考古學(xué)、歷史學(xué)等學(xué)科的研究中發(fā)揮了怎樣的作用。在下面的文字中，我們將能看到物理學(xué)家如何借助原子的力量抽絲剝繭，揭露偽造畫作背后的秘密。

世界多家頂級(jí)博物館的藏品中，至今仍能見到15世紀(jì)制作精美的中世紀(jì)繪畫、圣歌集手抄本和色彩斑斕的微型裝飾畫——它們都創(chuàng)作在已有500年歷史的木板、牛皮紙和羊皮卷上。那么，歷經(jīng)半個(gè)千年，這些顏色為何還能如此鮮艷？19世紀(jì)美國畫家拉爾夫·阿爾伯特·布萊克洛克（Ralph Albert Blakelock）創(chuàng)作了數(shù)百幅畫作，卻因作品滯銷而陷入抑郁，最終被送入精神病院。此后，他的畫作價(jià)格暴漲——但這些真的都是他的作品嗎？德國超現(xiàn)實(shí)主義畫家馬克斯·恩斯特（Max Ernst）、表現(xiàn)主義畫家海因里希·坎彭東克（Heinrich Campendonk）以及法國畫家費(fèi)爾南·萊熱（Fernand Le?ger）的近50幅畫作，在20世紀(jì)90年代至21世紀(jì)初以3600萬美元的總價(jià)被拍賣。這位集齊如此多珍品的神秘收藏家究竟是誰？還有那些高棉古國的守護(hù)神雕像，它們的雙腳早已不知蹤跡……這些未解之謎，只要向其中的原子“發(fā)問”，都能迎刃而解。

西班牙偽造者

1930年，大都會(huì)藝術(shù)博物館正在考慮購買一件重要藝術(shù)品。這幅備受關(guān)注的中世紀(jì)畫作，經(jīng)英國國家肖像館前館長、藝術(shù)史學(xué)家萊昂內(nèi)爾·卡斯特爵士（Sir Lionel Cust）鑒定，被認(rèn)為是15世紀(jì)卡斯蒂利亞藝術(shù)家豪爾赫·英格萊斯（Jorge Ingles）的作品。畫作題為《圣烏爾蘇拉的訂婚》（The Betrothal of Saint Ursula），描繪了一對(duì)幸福的戀人站在城堡前，周圍環(huán)繞著十幾位廷臣的場(chǎng)景，背景是一片湖泊，幾艘船漂浮在水面上。這幅木版畫的尺寸為30英寸×24英寸（約76厘米×61厘米），帶有500年歷史的畫作常見的裂紋，但除此之外保存狀況極佳。賣家的報(bào)價(jià)為30000英鎊。

▲《圣烏爾蘇拉的訂婚》

在完成購買之前，大都會(huì)藝術(shù)博物館的董事會(huì)請(qǐng)求另一位杰出的藝術(shù)史學(xué)家，同時(shí)也是他們的采購代理人——翁貝托·戈諾利伯爵（Count Umberto Gnoli）也提供意見。伯爵轉(zhuǎn)而向曼哈頓大都會(huì)博物館以南不遠(yuǎn)的皮爾龐特·摩根圖書館館長貝爾·達(dá)科斯塔·格林（Belle da Costa Greene）尋求幫助。

格林?jǐn)喽ㄟ@幅畫是偽作，大都會(huì)藝術(shù)博物館因此拒絕了這筆收購。受到最初鑒定結(jié)果的啟發(fā)，她將畫作的創(chuàng)作者稱為“西班牙偽造者”。不過如今人們普遍認(rèn)為，真正的偽造者很可能在19世紀(jì)末20世紀(jì)初活躍于巴黎。如今，超過350件作品被認(rèn)為出自這位身份未知但高產(chǎn)的偽造者之手，其中許多藏于全球頂級(jí)博物館中，包括大都會(huì)藝術(shù)博物館和摩根圖書館。

格林的分析與卡斯特最初的鑒定一樣，都基于藝術(shù)史的考量。類似的專家意見分歧在后續(xù)案例中也屢見不鮮。事實(shí)上，20年前摩根圖書館收購過一本帶插圖的中世紀(jì)禮拜儀式用書，格林當(dāng)時(shí)曾鑒定其為真品，后來才發(fā)現(xiàn)這件文物同樣出自那位偽造者之手。

我們是否可以通過某種方式，讓不帶偏見的“原子歷史學(xué)家”明確回答這些藝術(shù)作品的來源問題？答案是肯定的。這種方法被稱為放射自顯影法（autoradiography），或者更精確地說，中子活化放射自顯影法（neutron activation autoradiography）。

大家應(yīng)該還記得，中子不帶電荷，因此它們的運(yùn)動(dòng)不會(huì)受到電子、質(zhì)子或磁場(chǎng)的影響。它們會(huì)在原子核中找到一個(gè)舒適的“歸宿”，在那里，它們會(huì)體驗(yàn)到強(qiáng)大核力的擁抱。將一個(gè)中子添加到原子核中并不會(huì)改變?cè)拥纳矸荩纾?12（12C）和碳-13（13C）仍然是碳，但這一過程會(huì)生成一個(gè)新的同位素，而該同位素可能是穩(wěn)定的，也可能會(huì)發(fā)生放射性衰變。例如，13C+n=14C，正如我們?cè)诘诹轮兴姡?4C會(huì)經(jīng)歷β衰變。

從20世紀(jì)60年代開始，紐約長島布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室（Brookhaven National Laboratory）的石墨核反應(yīng)堆就開始通過中子活化法檢測(cè)畫作。這臺(tái)反應(yīng)堆可以產(chǎn)生大量中子，每秒每平方厘米的中子流密度從數(shù)百萬到數(shù)萬億不等。這些中子的運(yùn)動(dòng)速度適中（典型動(dòng)能為0.025 eV，與室內(nèi)空氣分子熱運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能相當(dāng)，因此被稱為“熱中子”）。這些中子中，極少數(shù)會(huì)與畫作中的原子核發(fā)生正面碰撞，受到強(qiáng)核力的吸引被原子核捕獲，從而將原子轉(zhuǎn)變?yōu)楦氐耐凰亍?/p>

例如，11號(hào)元素鈉的唯一穩(wěn)定的同位素鈉-23（23Na）構(gòu)成了自然界中100% 的鈉。如果這個(gè)原子核捕獲一個(gè)中子，23Na將轉(zhuǎn)變?yōu)榉派湫院怂剽c-24（24Na）。24Na具有β衰變不穩(wěn)定性，它會(huì)通過從原子核中釋放一個(gè)電子，平衡質(zhì)子與中子數(shù)量來向穩(wěn)定谷靠近；最終在元素周期表中向上移動(dòng)一格，變?yōu)?2號(hào)元素鎂的同位素鎂-24（24Mg）。這種衰變的半衰期為15小時(shí)。和大多數(shù)此類衰變一樣，衰變后的鎂原子核會(huì)處于激發(fā)態(tài)，隨后通過γ衰變回到基態(tài)，同時(shí)釋放出能量分別為2.75 MeV和1.37 MeV的光子。因此：

向大多數(shù)穩(wěn)定同位素添加一個(gè)中子，都會(huì)引發(fā)類似的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。注意，這一系列過程的最終結(jié)果是：（1）一個(gè)高能電子從畫作中釋放出來；（2）發(fā)射出具有新元素特征的特定能量的伽馬射線；（3）原始原子轉(zhuǎn)變?yōu)樵刂芷诒碇邢蛏弦苿?dòng)一格的新原子。

這似乎令人擔(dān)憂——中子照射可能會(huì)改變一件珍貴藝術(shù)品中的元素。然而，實(shí)際上有多少原子會(huì)因此發(fā)生變化呢？

在布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目中，研究人員分析了7件被認(rèn)定屬于“西班牙偽造者”的作品。實(shí)驗(yàn)中，文物被放置在距離反應(yīng)堆2英尺（約0.6米）的位置。每平方厘米畫作每秒接收約10億個(gè)中子，照射時(shí)間約為90分鐘。對(duì)于一頁6英寸（約15厘米）見方的插畫手稿來說，總計(jì)接收到的中子數(shù)超過 1000萬億。請(qǐng)記住，中子只有進(jìn)入原子核10-14厘米的范圍內(nèi)，才會(huì)感受到強(qiáng)核力的吸引，否則會(huì)直接穿過畫作。考慮到原子核的極小尺寸，99.999 999 999 9%的中子都會(huì)直接穿過，畫作的每萬億個(gè)原子里，僅有五六個(gè)會(huì)通過中子俘獲發(fā)生轉(zhuǎn)變。

為了形象地理解這種變化是多么微不足道，可以想象一個(gè)占據(jù)紐約市一個(gè)街區(qū)面積（260英尺×900英尺，約79米×274米）的倉庫。這座倉庫有20 層樓高，內(nèi)部完全填滿藍(lán)色彈珠——每顆彈珠代表畫作中的一個(gè)原子。經(jīng)過中子照射后，僅有五六顆藍(lán)色彈珠會(huì)變成紅色。如果2000人每天工作8小時(shí)，每周工作5天，每秒撿起1顆彈珠并在發(fā)現(xiàn)它是藍(lán)色時(shí)扔出窗外，那么他們得花 60多年才能找到這5顆紅色彈珠。如果這個(gè)倉庫緊鄰中央公園，那么被丟棄的彈珠在整個(gè)公園內(nèi)會(huì)被堆到齊膝高度；因此，將放射自顯影法稱為無損分析技術(shù)是完全合理的。

放射性原子核一旦產(chǎn)生，它們會(huì)按各自的半衰期發(fā)生衰變。為了精準(zhǔn)定位每幅畫中特定元素的位置，研究人員會(huì)在畫作正面貼上一張膠片，讓衰變釋放的電子使膠片感光。為了探測(cè)具有不同半衰期的元素，膠片貼放的時(shí)間和時(shí)長各不相同。在分析“西班牙偽造者”的作品時(shí)，關(guān)注的元素及其對(duì)應(yīng)的半衰期包括：錳（2.58小時(shí)）、銅（12.7小時(shí)）、鈉（15小時(shí)）、砷（26.3小時(shí)）、金(2.7天)、鉻（27.7天）、汞（46.7天）、銻（60.2天）和鋅（244天）。實(shí)驗(yàn)中，在中子照射后的以下時(shí)間間隔后放置膠片（并持續(xù)一定的時(shí)間）：1天后（持續(xù)1天）、4天后（持續(xù)2天）、7天后（持續(xù)2天）和22天后（持續(xù)5天）。

其中一本手稿是14世紀(jì)的時(shí)禱書，由摩根圖書館于1900年（早于格林的任職時(shí)間）購入。這本書包含12幅日歷畫和6幅彩飾畫，其中一幅描繪了抹大拉的馬利亞。書籍本身確實(shí)有600年歷史，據(jù)推測(cè)，每頁邊框上裝飾的葉子和花卉是原件，但彩飾畫可能是“西班牙偽造者”后期添加的。中子自顯影分析顯示，書頁邊框裝飾花卉所使用的藍(lán)色顏料（含銅）與繪制天空背景所用的藍(lán)色顏料（含鈉）存在顯著差異。這兩種元素的同位素半衰期相近，理論上其自顯影強(qiáng)度應(yīng)當(dāng)相等，但銅的中子吸收能力明顯更強(qiáng)，因此在自顯影膠片中呈現(xiàn)出更明顯的感光痕跡。含銅的藍(lán)色顏料在中世紀(jì)已被廣泛使用，而插圖中繪制天空的藍(lán)色顏料可能含有群青（化學(xué)式為Na7Al6Si6O24S3），這種含鈉的顏料直到19世紀(jì)才被發(fā)明出來。

在輻照后第7天至第9天貼放的自顯影膠片中，邊框中的綠色葉子與插圖中的綠色草地存在差異，后者的感光強(qiáng)度較弱。而在第22天至第27天貼放的自顯影膠片中，綠色草地的感光痕跡已完全消失，但邊框中的綠色葉子的顯影依然可見。這一現(xiàn)象與插圖使用含砷顏料的特征相符。砷的半衰期為26.3小時(shí)，這意味著到第22天時(shí)已經(jīng)經(jīng)歷了大約20個(gè)半衰期，僅剩百萬分之一的誘導(dǎo)活性。事實(shí)上，翡翠綠（乙酰亞砷酸銅）就是一種含砷顏料，這種顏料于1818年開始供藝術(shù)家使用，在整個(gè)19世紀(jì)都被認(rèn)為是最優(yōu)質(zhì)的綠色顏料。然而，這種顏料具有毒性，因此在20世紀(jì)初逐漸被淘汰。

如前所述，不同誘導(dǎo)放射性同位素的半衰期不同，其衰變釋放電子的時(shí)間規(guī)律也不同，導(dǎo)致膠片感光程度存在差異。此外，衰變的最終產(chǎn)物會(huì)處于激發(fā)態(tài)，并立即發(fā)射伽馬射線。這些伽馬射線的能量對(duì)應(yīng)于每種元素獨(dú)特的激發(fā)核態(tài)，因此可以為該元素的存在提供明確無誤的標(biāo)識(shí)。然而，這些光子以隨機(jī)方向射出，所以無法確定它們?cè)诋嬜髦械木唧w位置。自顯影膠片和伽馬射線光譜儀需要協(xié)同工作：光譜儀確認(rèn)砷的存在，膠片則顯示出其所在位置。對(duì)于這本時(shí)禱書中抹大拉的馬利亞插圖的檢測(cè)結(jié)果，證實(shí)了“邊緣裝飾為原作、插圖為偽造”的假設(shè)是正確的。

布萊克洛克作品

偽造已故藝術(shù)家的作品，可能會(huì)因藝術(shù)家所使用顏料的成分變化，或畫作載體（木材或畫布）的年代測(cè)定而被識(shí)破。偽造當(dāng)代藝術(shù)家的作品則需要更為精細(xì)的手段，不過一些相同的非破壞性技術(shù)也可以應(yīng)用于此。

拉爾夫·阿爾伯特·布萊克洛克被認(rèn)為是美國最常被偽造的藝術(shù)家。19世紀(jì)70年代初，他在美國西部漂泊三年后回到紐約，開始了自己的藝術(shù)生涯。他主要靠自學(xué)成才，早期作品讓人聯(lián)想到哈得孫河畫派，后來逐漸形成出一種獨(dú)特的浪漫主義風(fēng)格，夢(mèng)幻的月光場(chǎng)景為典型代表。盡管作為藝術(shù)家頗為高產(chǎn)，他在商業(yè)上卻拙于經(jīng)營。他的作品收入遠(yuǎn)不足以養(yǎng)活他的妻子和9個(gè)孩子。1891年，他精神崩潰，到1899年便被長期送進(jìn)精神病院。他從公眾視野中消失，他的作品在評(píng)論界和市場(chǎng)上的地位卻迅速上升，價(jià)格一路飆升到五位數(shù)。面對(duì)如此旺盛的需求，他無法再創(chuàng)作新作品，偽作開始泛濫。其中不乏他的女兒瑪麗安（她本人后來也被送入精神病院）創(chuàng)作的仿作。

▲拉爾夫·阿爾伯特·布萊克洛克

20世紀(jì)70年代，莫里斯·科特（Maurice Cotter）及其同事開始對(duì)布萊克洛克以及同時(shí)代畫家的作品（包括一些已知的贗品）進(jìn)行廣泛研究。他們對(duì)總共45幅繪畫作品進(jìn)行了自顯影檢測(cè)和X光檢查。畫作的X光檢測(cè)原理與醫(yī)院放射科的檢測(cè)方式相同：一束X射線光子穿過畫作，在另一側(cè)被膠片或（如今更常見的）電子探測(cè)器捕捉到。X射線能夠穿透皮膚和肌肉顯示骨折的圖像，它也可以揭示畫作中隱藏的層次。此外，由于每種原子都會(huì)以特定的能量吸收X射線，這些獨(dú)特的能量值與其內(nèi)層電子能級(jí)間隔相對(duì)應(yīng)，因此通過分析X射線的吸收特性，可以鑒定畫作中所包含的化學(xué)元素。

為了鑒定布萊克洛克作品的真?zhèn)危铺貓F(tuán)隊(duì)首先以史密森學(xué)會(huì)收藏的一幅畫作《月升》為基準(zhǔn)。這幅畫來源可靠，可直接追溯到布萊克洛克本人。通過X射線檢查，X光片揭示了布萊克洛克特有的技法：他用調(diào)色刀涂抹了不均勻的鉛白顏料，既撫平了木材的粗糙表面，也起到繪畫底色的作用。在這幅作品中，最明亮的月光區(qū)域覆蓋著最厚的白色顏料層。由于鉛能有效吸收X射線（還記得牙醫(yī)給你拍X光片時(shí)蓋在你身上的鉛圍布嗎），因此在X光圖像中，最厚的顏料層會(huì)呈現(xiàn)為深色。

▲布萊克洛克的作品《月升》

照射后數(shù)小時(shí)拍攝的自顯影圖顯示，鉛白底層上覆蓋著一層錳基顏料，保留了畫作表面的粗糙質(zhì)感。幾天后拍攝的另一張自顯影圖顯示，畫作中使用了含砷顏料，可能是用畫筆的木質(zhì)筆尾涂抹而成，以突出透過樹木的光線效果。而在照射后14至24天拍攝的圖像顯示，畫作表面刷有一層含汞顏料的薄釉層，呈現(xiàn)微紅色調(diào)。這種最終的色調(diào)處理是布萊克洛克成熟時(shí)期作品的典型特征。

研究團(tuán)隊(duì)分析的另一幅作品是帆布油畫《紅衣女子》。X射線顯示，與布萊克洛克的作品不同，這幅畫的底層涂層非常薄，因此畫布的織紋依然清晰可見。在照射后9至19天拍攝的自顯影圖中，畫中女子的紅色長裙呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的感光痕跡。這歸因于汞（Hg）的常見穩(wěn)定同位素202Hg捕獲中子后形成的放射性同位素203Hg 的衰變過程，203Hg隨后衰變?yōu)殂B-203（203Tl）；而所用顏料朱紅的化學(xué)成分是硫化汞（HgS）。這幅畫中的顏料應(yīng)用方式與《月升》中的大相徑庭。在畫作的左下角，自顯影圖顯示出一處被部分刮除的簽名；將其與署名瑪麗安·布萊克洛克的另一幅作品對(duì)比后，幾乎可以確定是她用父親的簽名替代了自己的署名。

拉爾夫·阿爾伯特·布萊克洛克被關(guān)在紐約奧蘭治縣的米德爾敦州立順勢(shì)療法醫(yī)院，他并不知道自己作為藝術(shù)家的聲譽(yù)已經(jīng)如日中天。1916年，他的一幅風(fēng)景畫在拍賣會(huì)上以2萬美元的高價(jià)售出（相當(dāng)于如今的50多萬美元），創(chuàng)下當(dāng)時(shí)美國在世藝術(shù)家的拍賣紀(jì)錄。《紐約論壇報(bào)》的一名記者發(fā)現(xiàn)了布萊克洛克的下落，并在17年來首次將他帶回曼哈頓，參觀了一場(chǎng)關(guān)于他作品的回顧展。30 年后，這名記者承認(rèn)，布萊克洛克當(dāng)時(shí)曾告訴他，展覽中的一些作品是偽作。由于不確定布萊克洛克的精神狀態(tài)，以及不愿破壞這則皆大歡喜的故事，這名記者在關(guān)于參觀的報(bào)道中省略了這一事實(shí) 。

（本文節(jié)選自《宇宙計(jì)時(shí)者：小原子中的大歷史》第七章“偷盜與偽造——藝術(shù)鑒證學(xué)”，標(biāo)題和配圖為編者所加）

書名：宇宙計(jì)時(shí)者：小原子中的大歷史

?♂? 作者：[美]大衛(wèi)·J.赫爾芬德

翻譯：閆大海

內(nèi)容簡介

原子，這占據(jù)宇宙萬物卻近乎虛空的存在，其實(shí)是忠實(shí)的歷史見證者。

從古代哲學(xué)家的猜想，到現(xiàn)代科學(xué)對(duì)其結(jié)構(gòu)、同位素、放射性的精準(zhǔn)認(rèn)知，本書以原子為核心線索，融合物理學(xué)、化學(xué)、考古學(xué)等多學(xué)科視角，揭開了宇宙與地球的隱秘過往。借助原子“時(shí)鐘”，我們得以鑒別藝術(shù)贗品、測(cè)定古籍年代，追溯人類飲食與農(nóng)業(yè)起源，還原古氣候變遷，破解恐龍滅絕的謎團(tuán)……從“冰人奧茨”的生活軌跡，到宇宙和太陽系的誕生，原子數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)化為生動(dòng)的歷史敘述，串聯(lián)成一部全新的宇宙與生命的演化史詩。