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跟随全国科普日,揭开文物的科学秘密,感受科学之美(上篇)

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全国科普日

今年9月17日至23日

全国各地将陆续开展全国科普日活动

主题为“提升全民科学素质

助力科技自立自强”

全国科普日由中国科协发起

为纪念《中华人民共和国科学技术普及法》

的颁布和实施而举办的各类科普活动

定在每年九月的第三个双休日

为顺应科普日主旨

我们将推出系列文物知识科普文

共分为上下篇,内含八大类别

分别是文物里的

医学、化学、物理、数学

天文、地理、建筑、生态

为您揭开文物里的科学秘密

尽情畅游在知识的海洋中

话不多说

快让我们一起感受

本期文物的科学之美吧~

揭开文物科学之美

前言

文物见证了一个又一个历史细节,在走过漫长而艰辛的道路后,看到了现在的人类。它们饱经沧桑,从来都不是能用单一学科去概括的,文学、地理、物理、化学、匠艺等知识与之有着千丝万缕的联系。

因此,以下文物是在某一学科较为突出或具有代表性而提出,还请勿忽略它们本身所具备的学科综合性。文物的创造在多元碰撞中发生,也在学科融合中沉淀。

1、医学——经穴漆人

经穴漆人,图源成都博物馆官号

在成都博物馆展厅内,有一个“微不足道”的“小人物”,展现了两千多年前中国人对经脉针灸理论的认识,真实再现了当时的医疗水平——它,就是经穴漆人。

经穴漆人仅高14厘米,与其本身的重要性形成了“反差萌”,但却是成都博物馆的文物明星,也是最小的镇馆之宝。

经穴漆人

经穴漆人裸身直立,手臂垂直放于两侧,手五指并齐,掌心向前,双脚呈一字站立,光头,眉、眼、鼻、口、耳清晰,体形匀称,全身涂以黑漆。

漆人身体表面用错综复杂的细线标识出人体经脉,其中红色线22条,白色线29条,与任脉、带脉和《灵枢•经脉》记载的十二经脉分布非常相似。

经穴漆人铭文及穴位

图源成都博物馆馆藏纪录片截图

漆人全身有117个清晰可见的腧穴点,并带有“心”“肺”“肾”“盆”等铭文,标识相应身体部位。通过这个经穴漆人,我们能知晓当时的经脉学、针灸学已经非常发达,跟现在中医里的穴位基本区别不是很大。

经穴漆人出土时的位置

图源成都博物馆馆藏纪录片截图

这件经穴漆人于2012年出土,伴随其出土的,还有医书的竹简,共计五部。经专家考证,这些医简极有可能是早已失传了的中医扁鹊学派经典书籍。

经穴漆人是迄今为止中国发现最完整的人体经穴模型,其与经脉医简是近年针灸学史最重要的考古发现,证明在西汉早期中国的中医针灸学已经形成了较完备的理论体系。

2、化学——越王勾践剑

越王勾践剑,图源湖北省博物馆官网

青铜器制作技艺在2021年被列入国家级非遗代表性项目,而铸成于春秋末期的国家一级文物越王勾践剑,更是代表了中国古代最巅峰的青铜冶铸技术,它历经2500多年仍寒光凛冽、鲜有锈迹。这其中有哪些科学原理呢?

1965年,传说中的神兵利刃——越王勾践剑在湖北省荆州市江陵县的一座大型楚国墓葬中被发现,我们这才有机会直观了解古人的铸剑技术有多么精湛。

图为湖北省博物馆,越王勾践剑现藏于此

这把剑不仅保存完好,而且剑刃异常锋利,多年的岁月侵蚀只让它生成了薄薄的锈迹。

出土后,为了检验其锋利度,工作人员拿来一叠纸放在桌上。一共30张纸,用剑划过,轻而易举就破开20多张。历经2500多年,宝剑依旧寒光凛冽,千年不腐。

研究人员认为铭文上“越王鸠(jiū)浅,自乍用剑”中的“鸠浅”正是大名鼎鼎的勾践(春秋末期越国国君)。图源中科院物理所官号

以往有人猜测越王勾践剑采取了复合金属工艺,春秋战国时期的不少铜剑都使用了二次浇铸——剑脊含铜较多,提高韧性,不易折断;而让剑刃处含锡量较高,增强硬度,保持锋利。但是研究者发现,越王勾践剑的剑刃和剑身的金相组织(金属或合金的化学成分以及各种成分在合金内部的化学状态和物理状态)是连成一片的,这证明它是一把一体铸成的剑,而非经过多次铸造完成。

经过元素成分测试,越王勾践剑的铜含量为80%~83%、锡含量为16%~17%,另外还有较少的铅和铁(是金属矿料在冶炼过程中残留的杂质)。越王勾践剑上的菱形纹饰是用金属锡制成的,锡原本是银白色,青铜原本是金黄色,所以它原本应该是黄色衬底上闪耀银光,只是由于锡腐蚀之后光泽暗淡变成了黑色。

越王勾践剑近照

那么,越王勾践剑“千年不朽”的原因究竟是什么呢?

首先,同墓葬出土的其他铅含量高的器物都腐蚀严重,反观越王勾践剑,选材用料非常讲究,铅含量很少,从源头上避开了遭遇锈蚀的“厄运”。

其次,这个墓地深埋地下,长期被地下水浸泡,使墓内空气含量很少。而且铜剑所在之处被一椁两棺层层相套,四周用白膏泥填塞,墓坑用填土夯实,几乎成了一个密闭的空间,基本隔绝了氧气。

最后,越王勾践剑被发现时是插在髹(xiū,把漆涂在器物上)黑漆的木质剑鞘内,两者紧密结合,让铜剑与外界基本隔绝,起到了双重保护的作用。

凭借现代工艺,如果要仿造一把越王勾践剑似乎不难,但以2500多年前的条件,能成功铸造出这样一把宝剑已是惊天之举了。我们在欣赏文物、探究其背景与科学原理的同时,不得不感叹祖先的智慧和创造力!

3、物理——“见日之光”镜

“见日之光”镜,图源上海博物馆官网

“穿衣戴帽,临镜观影”,中国古人使用镜子的历史可以追溯到4000多年前。发明炼铜技术之后,古人便开始铸造铜镜,利用平滑光洁的金属表面来映照自己的形象。

然而,在西汉时期(公元前202年—8年)有这样一类神奇的铜镜——透光镜,只要迎着日光或者其他光源,与镜面相对的墙壁上就会映出铜镜背面的花纹或铭文,光源仿佛穿透了镜体。

“见日之光”镜,便是透光镜中的代表之一。

四面来自汉代不同时期的透光镜(包括“见日之光”镜),通过光投在墙上的效果。图为央视节目《探索·发现》截取动图

清代学者郑复光在《镜镜詅(líng)痴》一书中强调:“理乃在凸凹……随凹凸而生轻重。”意为:镜面始终存在凸凹的痕迹……是工匠根据铜镜背面的纹饰,控制刮磨厚度形成的。《镜镜詅痴》是中国古代第一部物理学著作。

透光镜是用铜、锡等合金铸造而成的,按理说光线根本无法穿过。那么,透光镜的奥秘究竟是什么呢?

“见日之光”镜现藏于上海博物馆

首先我们需要大概了解镜面反射和漫反射。

光的反射是指光从一种介质射到另一种介质表面时,有部分光返回原介质中传播的现象,分为镜面反射和漫反射两种。

镜面反射是指平行光线射到光滑表面上时,反射光线也是平行的。例如,阳光照射到玻璃幕墙就是镜面反射。

镜面反射

漫反射是指平行光线射到凹凸不平的表面上时,反射光线射向各个方向。例如,电影屏幕就是漫反射。

漫反射

要铸造出一面透光镜,有几个关键要素。

第一,透光镜在造型上要具有凸面、薄体、宽边的特征,而且纹饰还要满足同心圆分布的结构,这样才能产生显著的环向铸造残余应力(如图所示)。汉代以后的铜镜纹饰复杂,镜体变得大而平,失去了相应的结构,也就无法透光。

图源中国科学院高能物理研究所官号

第二,在浇铸过程中,由于透光镜镜体较薄,冷却得快;镜缘较厚,冷却得慢,镜缘逐渐收缩时,镜体已经凝固,有一定硬度,这样镜缘对镜体产生一种紧箍作用,而镜体对镜缘有了反方向的支撑作用。铜镜内部产生的这种相互作用力,就是铸造残余应力,它使镜体在原来上凸镜面基础上进一步向上拱起。

图源中国科学院高能物理研究所官号

第三,在打磨过程中,透光镜的镜体变薄、硬度降低,但有纹饰的地方较厚、较硬,不易变形,没有纹饰的地方较薄,变形较大,从而使铸造残余应力得到释放,令镜体产生细微形变——薄的地方拱起较多,厚的地方拱起较少,形成了镜面的凹凸不平,这种形变肉眼很难看到。

图源中国科学院高能物理研究所官号

当光源照射镜面时,有纹饰的地方凸起较小,比较平坦,反射光集中,反射到墙上的光明亮;无纹饰的地方凸起较多,反射光分散,反射到墙上的光比较暗。于是,墙上便呈现出与镜子背面完全相同的图案,感觉就像是光透过镜子,把背面图案投射到了墙上。

4、数学——独孤信多面体煤精组印

独孤信多面体煤精组印

2019全国高考Ⅱ卷数学第16题中,提到的一件文物在当时瞬间走红!它就是现藏于陕西历史博物馆的“独孤信多面体煤精组印”。

之所以会出现在高考试卷中,是因为这是一件由金石与数学完美结合的传奇文物。

2019年高考数学题中的独孤信多面体煤精组印,图源央视节目《开讲啦》截图

根据专业人士解读,这道试题的题面文字由四部分组成:

一是普及了中国传统文化中有关金石文化的代表——印信的基本常识,即“印信的形状多为长方体、正方体或圆柱体”。

二是点出一个特例——“半正多面体”,特例就是“南北朝时期的官员独孤信的印信”,并用实物图片加以印证说明。

三是指出这个特例拥有的数学特征——“半正多面体是由两种或两种以上的正多边形围成的多面体”,以及数学之美——“对称美”。

四是提出要解决的数学问题。该题融入了中国悠久的金石文化,赋以几何体真实背景。独孤信印为48棱多面体,一共有26个大小不一的印面,是目前发现的中国古代唯一一枚从隶书、魏碑体向楷书演变的印章。

独孤信多面体煤精组印近照

图源西安市文物局官号

独孤信印由煤精制成,呈球体48棱26面,其中正方形印面18个,三角形印面8个。有14个正方形印面镌刻印文,分别为“臣信上疏”“臣信上章”“臣信上表”“臣信启事”“大司马印”“大都督印”“刺史之印”“柱国之印”“独孤信白书”“信白笺”“信启事”“耶敕”“令”“密”。

独孤信多面体煤精组印印文

图源西安市文物局官号

印文为楷书阴文,书法遒劲挺拔,有浓厚的魏书意趣。据印文内容及核查史书,此印为北周大司马独孤信之印。14面印文内容不同,各有其用途,是研究北朝印玺制度的珍贵实物资料。

独孤信多面体煤精组印现藏于陕西历史博物馆

供稿单位:重庆市九龙坡区文物管理所

审核专家:李春藜

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梁仕
庶吉士级
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2023-09-19