文物是人类祖先留下的宝贵历史文化遗产，也是研究古代历史的重要物证资料。让文物说话、让文物“活”起来的过程中，文物科技研究发挥着重要作用。文物保护中经常使用哪些科技手段？有哪些成功案例？保护过程中又需要遵循哪些原则？
本期首都科学讲堂之“极简科学课”，邀请首都博物馆保护科技与传统技艺研究部主任赵瑞廷，以青铜器、金银器、玉器等为例，从科技角度谈文物、文物保护修复等相关内容。
主讲嘉宾：
赵瑞廷
首都博物馆保护科技与传统技艺研究部主任
▲现代科技让文物“活”起来
有机类文物很脆弱，保护难度大
我工作的首都博物馆是综合展示与揭示北京历史的一座综合类地志博物馆。我们的工作相当于文物“医生”。我们都知道，医院里边有外科、内科，也有心脑血管科等等，专业划分细致。我们文物保护修复也分为不同的领域，比如：青铜器、陶瓷器、纺织品、古书画、漆木器等等。
文物是人类在社会活动中遗留下来的具有历史、艺术、科学价值的遗物和遗迹。文物也是有寿命的，文物“医生”的工作就是适当延长文物的寿命。
出于保护的目的，文物必须进行分类，根据类别进行保护。就像大夫给病人看病一样，必须了解病人的病情，将不同的病况归属到不同的类别或科室。
文物从是否可以移动的角度来划分，可分为可移动文物和不可移动文物。综合类博物馆重点是对可移动文物实施保护，比如，青铜器、瓷器、纺织品和书画等可移动的文物。而像龙门石窟、云冈石窟、应县木塔、故宫等都属于遗址类博物馆，本身是不可移动文物，只能就地保护。
文物从材料学和化学的角度划分，可以分为有机类文物和无机类文物。无机类文物分为金属类文物和非金属类文物，金属类文物包括青铜器、金银器、铁器等；非金属类包括陶瓷器、玉器等。有机类文物包括古书画、纺织品、漆木器、木质家具等。不同文物的保存环境条件是不一样的，温度不一样、湿度不一样，对光的敏感性要求也不一样。所以不同类型的文物在库房里保存的环境也不一样，有机类文物存放在同一环境要求的库房，无机类文物则存放在另外环境要求的库房。
我曾经参与被评为年全国十大考古发现的江西靖安东周大墓的发掘工作。到了发掘现场以后特别震撼，我感觉发生了时空穿越。这个墓葬的年代是公元前年周平王迁都以后，有47具棺木，经吉林大学体质人类学对陪葬的骨骼进行DNA检测，陪葬的都是十几岁到二十几岁的年轻姑娘，这是野蛮的殉葬制度的一个实例。
▲江西靖安东周大墓的发掘现场（供图/赵瑞廷）
孔子特别反对殉葬，他曾经说过“始作俑者，其无后乎？”。到了汉代，汉景帝的殉葬品中有许多木偶。秦始皇兵马俑是陶制的。人类历史是一个逐渐走向进步、文明的过程。
东周大墓的棺木选材是直径很粗的大树，然后一劈两半，把中间掏空了，左右两边各自留两个把手，之后再用竹绳绕八字捆起来，外边又包了竹席，竹席外面又拿竹绳捆绑起来。墓坑使用了木炭和白膏泥，木炭防潮，白膏泥具有密封作用。
▲东周大墓的棺木选材是一棵直径很粗的大树（供图/赵瑞廷）
南方由于地下水位很高，两千年过程中，整个墓坑中的棺木都被水淹没，将棺木与空气及空气里面的氧隔绝开，这些棺木和骨骼才得以保留下来。
▲竹席从白膏泥里提取出来以后还是翠绿翠绿的，不到五分钟就颜色就变成焦黑（供图/赵瑞廷）
25号棺木打开以后，考古人员发现年轻女子呈侧面曲腿状，有一种说法是这种葬法属于北斗七星状。但我觉得是因为陪葬的女孩个子比较高，棺内长度不够，下葬时只能侧面并下肢弯曲。
研究发现，陪葬的年轻女子应该是做纺织品的女工，她们的棺木里只有一些青铜小刀、做纺织品的陶轮，还有竹笥。部分小姑娘身上穿着华美，个别服装在打开棺木时还保留有形状，大多数衣服都已糟朽。25号棺木发掘的时候，我们将里面的水抽干后，看到小姑娘头上的头发还在，考古人员用毛笔沾水拨动头发，已经糟朽碳化了。其实，两千年的文物经过地下水的侵蚀，该溶解的已经溶解，该碳化的已经碳化了。
在墓葬发掘中，我们还发现了女子身体里翠绿的香瓜子，种子的活力经过两千年可能仍然存在。另一方面，我们猜测这些年轻女子应该是夏天被下葬，可能担心尸体发出味道，棺木里边在头的部位放有一二斤左右包着的花椒。
▲在墓穴里还发现翠绿的香瓜子，种子的活力经过两千年可能仍然存在（供图/赵瑞廷）
我们判断这可能是由于夏天尸体腐烂快，花椒用作驱挡虫子及微生物使用。虽经两千年，花椒粒和现在的花椒一样，状况很好，没有碳化。还有，棺木是一棵大树做成的，可能仍然存在活性，大多数木材木质坚硬，没有碳化、糟朽，特别结实。
另外，在部分骨骼上面，附着有绿色结晶物，这是不是与她们的死因有关？经过用现代科技仪器检测，绿色结晶物是磷酸亚铁，它的形成是由于南方红土壤里的三价铁，三价铁的氧化性比较强，它随着地下水被带到棺木里边，棺木里人的骨骼里有磷元素，磷元素是负价的，还原性特别强。一个氧化性特别强，一个还原性特别强，氧化性强的三价铁被还原成二价铁，还原性比较强的磷被氧化成磷酸根而形成磷酸亚铁。一个现象是，结晶物被拿出来以后，由于南方天气特别潮湿，结晶物有一种现象叫化学反应——潮解，结晶物捕捉空气里的水分就形成溶液，在潮解过程中溶液逐渐呈红颜色。
▲人骨上附着有绿色结晶物，经过仪器检测是磷酸亚铁（供图/赵瑞廷）
有机类文物的特点是比较脆弱，能够保留下来成为文物的比较少。比如古书画、纺织品、漆木器等。
无机类文物的保护和修复
无机类文物包括金属类和非金属类，金属类的有青铜器、金银器、铜佛造像、铁器等，非金属类的有陶瓷器、玉器等。
金属类文物的化学活性特征如下：
钾钙钠镁铝是很活泼的金属，虽然地球上存量很大，但它们一定以化合态存在，因为它们太活泼了。锌铁锡铅铜汞银铂金的活性依次减弱，*金的活性最低，是最耐腐蚀的。
海昏侯墓出土的马蹄金、麟趾金、金饼，经过仪器检测，纯度很高，应该在99%以上。银之后的元素化学活性弱，耐腐蚀，所以*金在自然界以单质态存在。
青铜器属于无机类文物，首都博物馆收藏的西周堇鼎发掘于房山琉璃河遗址，是周武王定天下后，将燕地分封给了召公。
▲首都博物馆收藏的在房山琉璃河出土的西周大堇鼎（供图/赵瑞廷）
从科技角度，能有效解读文物的价值和意义，是一种让文物说话的重要手段与方法。
谈到青铜器，首先要了解铜的性质。纯铜也就是红铜（又名紫铜），由于红铜太软，作为实用器不结实，容易坏掉。所以古人就往里边加入适量的金属锡，加了锡后的铜就是青铜，硬度增加了。
中国古代尤其是商周时期，青铜器加工采用块范浇铸法。在浇铸青铜器的时候，首先要制作一个模型，这个模型可以是泥做的，也可以是拿木雕刻的等等。通过模型、模子翻制出范，用范来浇铸制作青铜器。在浇铸青铜器时，一千摄氏度左右的青铜液在冷凝时常会使器物出现许多缺陷，为了青铜液流动性好，古人往铜锡合金里边加入金属铅，可有效减少浇铸缺陷，这就是模范法。古代早期的青铜器多是通过模范法铸造出来的。
▲青铜爵的铸造工艺（供图/赵瑞廷）
无机类文物中铜佛造像一般采用失蜡法制作，是适合青铜器精密铸造的一种方法。失蜡法常用蜂蜡等做成铸件的模型，由于蜂蜡较软，工匠们可以对蜂蜡模型进行精细的雕刻和加工，从而制成复杂的铸件模型。模型制好后，将蜡模型裹以泥料形成泥范初型，进一步用泥浆包敷制成外范。外范固化定型后，对其进行加热烘烤，蜂蜡受热后熔化并流失，这样就留下可以浇铸的空腔。青铜液灌注在空腔内冷却后，便铸成器物。失蜡法浇铸的青铜器可以达到玲珑剔透的镂空效果。
▲用失蜡法制作的唐代铜像（供图/赵瑞廷）
我们利用科技的方法曾经研究过一尊唐代佛像。经仪器检测确定佛头属*铜，身体部位属青铜。这是什么原因呢？怎么才能让文物说话？在汉代，印度能生产*铜，但印度进入中国的*铜价格仅次于*金。是否为供养人制作佛像时，为了增加成本体现虔诚，佛像的头部用贵一些的*铜来做，而佛像身体使用青铜？后来，我们通过显微镜微观观察，在佛像颈部找到了锡焊点，仪器检测就是锡，之后颈部一圈锡焊部位都被找到。
所以我们认为这尊佛像身子是唐代的，后来头部缺失，可能在民国时期利用*铜制作出头部焊接上去，形成一尊完整的佛像。同样，在佛像下衣飘带处，我们又找到了锡焊点，下衣摆的小角材质是用红铜做的。同理，民国匠人用红铜锻打出缺失部位，锡焊补缺。这样就出现了在一个器物上边有三种材料，头部为*铜，身体部位为青铜，下衣飘带为红铜。
▲一尊唐代佛像存在三种不同的铜材料（供图/赵瑞廷）
科技手段可以解读无机类文物中的陶瓷器文物中的一些现象。如钧窑瓷器的红色与蓝色。通过科技检测研究知道，主要是铜元素的不同价态在起作用。钧窑的瓷器很珍贵，原因之一是由于钧窑的瓷器没有一件是相同的，瓷器上边既有一价氧化铜呈红色，也有二价氧化铜呈蓝色，而形成瓷器烧造气氛的瓷窑中，氧化性气氛与还原性气氛必须同时存在，这对瓷器烧造匠人来说鉴于可控与不可控之间。钧窑瓷器中红色与蓝色两种颜色同时存在的瓷器尤其珍贵。
▲钧窑瓷器（供图/赵瑞廷）
文物保护遵循的原则
文物保护的原则是：不改变文物原状、最小干预、适度防护、可识别性、可逆性，以及保存文物原有形制、结构、材料、工艺等，尽可能多地保留文物的历史信息，并且能把这些原则实际应用到保护措施中。
文物保护包括文物预防性保护、一般性保护、文物修复。年，布朗迪《修复理论》首次提出，文化遗产保护最重要和优先的原则是对艺术品采取预防性保护措施，其效果极大优于在紧急情况下的抢救性修复。预防性保护就相当于给文物营造一个好的保存环境。文物一般性保护就是文物的整理养护、除尘除垢等。文物修复就是要给给文物动手术。
博物馆里保存文物的库房对空气温湿度、空气清洁度的控制都是相当严格的，包括照明，如果没有控制或控制不当都会对文物造成损害。文物保护是一个有完整逻辑的学科体系。
▲首都博物馆（图片来自网络）
无机类文物和有机类文物是分开存放的。存放有机类文物一般需要湿度大一些，无机类的湿度小一些。另一方面，对于文物来说温度在高于5℃的前提下越低越好，当然博物馆要考虑观众的感受以及能耗的问题，必须进行综合考量。
另一方面，文物是有寿命的。对文物保护可能前二十年认为某种手段是对的，但经过二十年的实践以后，这个办法是错的！例如，一个石刻文物断裂了，前几十年，常用铁锚杆固定法将两块裂开的石刻固定起来。但经过几十年后问题出现了，铁锚杆在石刻文物里边遇到水分后生锈，铁锈蚀物膨胀将石刻文物胀裂。那么铁锚杆在石刻文物内部相当于一个瘤子或定时炸弹。所以，文物的科学保护其实是一个复杂和漫长的科学实践与论证的过程。
还有一点，文物修复一定“手下留情”，办法一定成熟了再用。就像我们给病人做手术，必须制定一套完整的、科学合理的治疗方案。
博物馆内部，温度、湿度、照明、空气污染物（硫氧化物、氮氧化物、碳氧化物、有机酸、甲酸、乙酸、苯、甲醛、臭氧）、颗粒物都是被控制的。这就是为了文物能更好地处于一种适宜的环境当中。包括生物病害、虫害、霉菌，地铁的震动等等，都是要考虑的。
另一方面，对于一些复合材料组成的珍贵文物，首都博物馆还建设了氮气库房，文物在氮气环境下劣化的速度大大降低了。
文物科技研究及鉴别的特点
在文物研究过程中，不可避免地会遇到文物鉴别的问题。文物鉴别的前提是去伪不存真，还要考虑文化叠加等现象，类似于案件侦破，没有统一的标准与方法，永远是道高一尺魔高一丈的关系。
举个例子，从美国拍出的一件青铜器，年代推测是西周的，进行了实验室无损科技检测。
▲美国拍出的青铜器（供图/赵瑞廷）
先检测了青铜器的合金成分，它里边锌的含量达到9%。西周或者商代的青铜器是以铜锡铅为主，里面基本没有锌。因为制作青铜器的材料铜的熔点是℃。而这个温度锌早已经变成气体蒸发。所以，商周的青铜器里边基本不含锌，即使有也不会超过1%，而这件青铜器的含锌量达到了9%，说明这件青铜器可能是后仿。
文物研究和文物保护是综合应用各类自然科学的办法，涉及生物、化学、体质人类学、地质学等学科，并且是随着科学的发展不断发展的过程。当然博物馆运用的科技手段常是以对文物无损为前提、为原则。首都博物馆所用的仪器设备有：显微镜、激光拉曼光谱仪、X射线荧光能谱仪、X射线衍射仪、电子探针等等。
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