當物理學家決定去“鑒寶”

著名物理學家、諾貝爾物理學獎獲得者理查德·費曼曾在一個講座中說過：“如果在某次大災難里，所有的科學知識都要被毀滅，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數包含最多的信息呢？我相信那會是原子假說（或者原子事實，或者你愛怎么叫都可以）：宇宙萬物由原子構成。”

從古代哲思到現代科學，原子在人類對世界本質的探索中是一個居于中心的概念。但除了作為構成世間萬物的基礎外，原子身上的“時間”屬性也對我們認識世界意義重大。在美國天文學家大衛·J.赫爾芬德的《宇宙計時者：小原子中的大歷史》一書中，他就展示了原子“時鐘”在宇宙學、人類學、考古學、歷史學等學科的研究中發揮了怎樣的作用。在下面的文字中，我們將能看到物理學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。

世界多家頂級博物館的藏品中，至今仍能見到15世紀制作精美的中世紀繪畫、圣歌集手抄本和色彩斑斕的微型裝飾畫——它們都創作在已有500年歷史的木板、牛皮紙和羊皮卷上。那么，歷經半個千年，這些顏色為何還能如此鮮艷？19世紀美國畫家拉爾夫·阿爾伯特·布萊克洛克（Ralph Albert Blakelock）創作了數百幅畫作，卻因作品滯銷而陷入抑郁，最終被送入精神病院。此后，他的畫作價格暴漲——但這些真的都是他的作品嗎？德國超現實主義畫家馬克斯·恩斯特（Max Ernst）、表現主義畫家海因里希·坎彭東克（Heinrich Campendonk）以及法國畫家費爾南·萊熱（Fernand Le?ger）的近50幅畫作，在20世紀90年代至21世紀初以3600萬美元的總價被拍賣。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“發問”，都能迎刃而解。

西班牙偽造者

1930年，大都會藝術博物館正在考慮購買一件重要藝術品。這幅備受關注的中世紀畫作，經英國國家肖像館前館長、藝術史學家萊昂內爾·卡斯特爵士（Sir Lionel Cust）鑒定，被認為是15世紀卡斯蒂利亞藝術家豪爾赫·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），描繪了一對幸福的戀人站在城堡前，周圍環繞著十幾位廷臣的場景，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。賣家的報價為30000英鎊。

▲《圣烏爾蘇拉的訂婚》

在完成購買之前，大都會藝術博物館的董事會請求另一位杰出的藝術史學家，同時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。伯爵轉而向曼哈頓大都會博物館以南不遠的皮爾龐特·摩根圖書館館長貝爾·達科斯塔·格林（Belle da Costa Greene）尋求幫助。

格林斷定這幅畫是偽作，大都會藝術博物館因此拒絕了這筆收購。受到最初鑒定結果的啟發，她將畫作的創作者稱為“西班牙偽造者”。不過如今人們普遍認為，真正的偽造者很可能在19世紀末20世紀初活躍于巴黎。如今，超過350件作品被認為出自這位身份未知但高產的偽造者之手，其中許多藏于全球頂級博物館中，包括大都會藝術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，都基于藝術史的考量。類似的專家意見分歧在后續案例中也屢見不鮮。事實上，20年前摩根圖書館收購過一本帶插圖的中世紀禮拜儀式用書，格林當時曾鑒定其為真品，后來才發現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“原子歷史學家”明確回答這些藝術作品的來源問題？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）。

大家應該還記得，中子不帶電荷，因此它們的運動不會受到電子、質子或磁場的影響。它們會在原子核中找到一個舒適的“歸宿”，在那里，它們會體驗到強大核力的擁抱。將一個中子添加到原子核中并不會改變原子的身份，例如，碳-12（12C）和碳-13（13C）仍然是碳，但這一過程會生成一個新的同位素，而該同位素可能是穩定的，也可能會發生放射性衰變。例如，13C+n=14C，正如我們在第六章中所見，14C會經歷β衰變。

從20世紀60年代開始，紐約長島布魯克海文國家實驗室（Brookhaven National Laboratory）的石墨核反應堆就開始通過中子活化法檢測畫作。這臺反應堆可以產生大量中子，每秒每平方厘米的中子流密度從數百萬到數萬億不等。這些中子的運動速度適中（典型動能為0.025 eV，與室內空氣分子熱運動的動能相當，因此被稱為“熱中子”）。這些中子中，極少數會與畫作中的原子核發生正面碰撞，受到強核力的吸引被原子核捕獲，從而將原子轉變為更重的同位素。

例如，11號元素鈉的唯一穩定的同位素鈉-23（23Na）構成了自然界中100% 的鈉。如果這個原子核捕獲一個中子，23Na將轉變為放射性核素鈉-24（24Na）。24Na具有β衰變不穩定性，它會通過從原子核中釋放一個電子，平衡質子與中子數量來向穩定谷靠近；最終在元素周期表中向上移動一格，變為12號元素鎂的同位素鎂-24（24Mg）。這種衰變的半衰期為15小時。和大多數此類衰變一樣，衰變后的鎂原子核會處于激發態，隨后通過γ衰變回到基態，同時釋放出能量分別為2.75 MeV和1.37 MeV的光子。因此：

向大多數穩定同位素添加一個中子，都會引發類似的鏈式反應。注意，這一系列過程的最終結果是：（1）一個高能電子從畫作中釋放出來；（2）發射出具有新元素特征的特定能量的伽馬射線；（3）原始原子轉變為元素周期表中向上移動一格的新原子。

這似乎令人擔憂——中子照射可能會改變一件珍貴藝術品中的元素。然而，實際上有多少原子會因此發生變化呢？

在布魯克海文國家實驗室項目中，研究人員分析了7件被認定屬于“西班牙偽造者”的作品。實驗中，文物被放置在距離反應堆2英尺（約0.6米）的位置。每平方厘米畫作每秒接收約10億個中子，照射時間約為90分鐘。對于一頁6英寸（約15厘米）見方的插畫手稿來說，總計接收到的中子數超過 1000萬億。請記住，中子只有進入原子核10-14厘米的范圍內，才會感受到強核力的吸引，否則會直接穿過畫作。考慮到原子核的極小尺寸，99.999 999 999 9%的中子都會直接穿過，畫作的每萬億個原子里，僅有五六個會通過中子俘獲發生轉變。

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

放射性原子核一旦產生，它們會按各自的半衰期發生衰變。為了精準定位每幅畫中特定元素的位置，研究人員會在畫作正面貼上一張膠片，讓衰變釋放的電子使膠片感光。為了探測具有不同半衰期的元素，膠片貼放的時間和時長各不相同。在分析“西班牙偽造者”的作品時，關注的元素及其對應的半衰期包括：錳（2.58小時）、銅（12.7小時）、鈉（15小時）、砷（26.3小時）、金(2.7天)、鉻（27.7天）、汞（46.7天）、銻（60.2天）和鋅（244天）。實驗中，在中子照射后的以下時間間隔后放置膠片（并持續一定的時間）：1天后（持續1天）、4天后（持續2天）、7天后（持續2天）和22天后（持續5天）。

其中一本手稿是14世紀的時禱書，由摩根圖書館于1900年（早于格林的任職時間）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。書籍本身確實有600年歷史，據推測，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色顏料（含銅）與繪制天空背景所用的藍色顏料（含鈉）存在顯著差異。這兩種元素的同位素半衰期相近，理論上其自顯影強度應當相等，但銅的中子吸收能力明顯更強，因此在自顯影膠片中呈現出更明顯的感光痕跡。含銅的藍色顏料在中世紀已被廣泛使用，而插圖中繪制天空的藍色顏料可能含有群青（化學式為Na7Al6Si6O24S3），這種含鈉的顏料直到19世紀才被發明出來。

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，這意味著到第22天時已經經歷了大約20個半衰期，僅剩百萬分之一的誘導活性。事實上，翡翠綠（乙酰亞砷酸銅）就是一種含砷顏料，這種顏料于1818年開始供藝術家使用，在整個19世紀都被認為是最優質的綠色顏料。然而，這種顏料具有毒性，因此在20世紀初逐漸被淘汰。

如前所述，不同誘導放射性同位素的半衰期不同，其衰變釋放電子的時間規律也不同，導致膠片感光程度存在差異。此外，衰變的最終產物會處于激發態，并立即發射伽馬射線。這些伽馬射線的能量對應于每種元素獨特的激發核態，因此可以為該元素的存在提供明確無誤的標識。然而，這些光子以隨機方向射出，所以無法確定它們在畫作中的具體位置。自顯影膠片和伽馬射線光譜儀需要協同工作：光譜儀確認砷的存在，膠片則顯示出其所在位置。對于這本時禱書中抹大拉的馬利亞插圖的檢測結果，證實了“邊緣裝飾為原作、插圖為偽造”的假設是正確的。

布萊克洛克作品

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

拉爾夫·阿爾伯特·布萊克洛克被認為是美國最常被偽造的藝術家。19世紀70年代初，他在美國西部漂泊三年后回到紐約，開始了自己的藝術生涯。他主要靠自學成才，早期作品讓人聯想到哈得孫河畫派，后來逐漸形成出一種獨特的浪漫主義風格，夢幻的月光場景為典型代表。盡管作為藝術家頗為高產，他在商業上卻拙于經營。他的作品收入遠不足以養活他的妻子和9個孩子。1891年，他精神崩潰，到1899年便被長期送進精神病院。他從公眾視野中消失，他的作品在評論界和市場上的地位卻迅速上升，價格一路飆升到五位數。面對如此旺盛的需求，他無法再創作新作品，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）創作的仿作。

▲拉爾夫·阿爾伯特·布萊克洛克

20世紀70年代，莫里斯·科特（Maurice Cotter）及其同事開始對布萊克洛克以及同時代畫家的作品（包括一些已知的贗品）進行廣泛研究。他們對總共45幅繪畫作品進行了自顯影檢測和X光檢查。畫作的X光檢測原理與醫院放射科的檢測方式相同：一束X射線光子穿過畫作，在另一側被膠片或（如今更常見的）電子探測器捕捉到。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，由于每種原子都會以特定的能量吸收X射線，這些獨特的能量值與其內層電子能級間隔相對應，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元素。

為了鑒定布萊克洛克作品的真偽，科特團隊首先以史密森學會收藏的一幅畫作《月升》為基準。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（還記得牙醫給你拍X光片時蓋在你身上的鉛圍布嗎），因此在X光圖像中，最厚的顏料層會呈現為深色。

▲布萊克洛克的作品《月升》

照射后數小時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，呈現微紅色調。這種最終的色調處理是布萊克洛克成熟時期作品的典型特征。

研究團隊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出強烈的感光痕跡。這歸因于汞（Hg）的常見穩定同位素202Hg捕獲中子后形成的放射性同位素203Hg 的衰變過程，203Hg隨后衰變為鉈-203（203Tl）；而所用顏料朱紅的化學成分是硫化汞（HgS）。這幅畫中的顏料應用方式與《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·布萊克洛克被關在紐約奧蘭治縣的米德爾敦州立順勢療法醫院，他并不知道自己作為藝術家的聲譽已經如日中天。1916年，他的一幅風景畫在拍賣會上以2萬美元的高價售出（相當于如今的50多萬美元），創下當時美國在世藝術家的拍賣紀錄。《紐約論壇報》的一名記者發現了布萊克洛克的下落，并在17年來首次將他帶回曼哈頓，參觀了一場關于他作品的回顧展。30 年后，這名記者承認，布萊克洛克當時曾告訴他，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，以及不愿破壞這則皆大歡喜的故事，這名記者在關于參觀的報道中省略了這一事實 。

（本文節選自《宇宙計時者：小原子中的大歷史》第七章“偷盜與偽造——藝術鑒證學”，標題和配圖為編者所加）

書名：宇宙計時者：小原子中的大歷史

?♂? 作者：[美]大衛·J.赫爾芬德

翻譯：閆大海

內容簡介

原子，這占據宇宙萬物卻近乎虛空的存在，其實是忠實的歷史見證者。

從古代哲學家的猜想，到現代科學對其結構、同位素、放射性的精準認知，本書以原子為核心線索，融合物理學、化學、考古學等多學科視角，揭開了宇宙與地球的隱秘過往。借助原子“時鐘”，我們得以鑒別藝術贗品、測定古籍年代，追溯人類飲食與農業起源，還原古氣候變遷，破解恐龍滅絕的謎團……從“冰人奧茨”的生活軌跡，到宇宙和太陽系的誕生，原子數據被轉化為生動的歷史敘述，串聯成一部全新的宇宙與生命的演化史詩。