西漢“見(jiàn)日之光”透光鏡的科學(xué)原理

朱子墨

從古至今，鏡子都是人們生活中不可或缺的物品。但古人使用的鏡子，在材質(zhì)、制作工藝、形態(tài)等諸多方面，與我們今天使用的鏡子有著天壤之別。

遠(yuǎn)古時(shí)期，人們會(huì)利用自然界中的水作為鏡子。陶器發(fā)明后，則利用陶盆盛水當(dāng)作鏡子。隨著礦藏開(kāi)采、金屬冶煉、鑄造技術(shù)的逐步成熟，人們開(kāi)始使用銅、錫等材料制作“青銅鏡”。青銅鏡由兩面組成，鏡面打磨得十分光滑，背面裝飾著各類(lèi)紋樣或刻印字句，一方面起到美化作用，另一方面用于表達(dá)各種寓意。銅鏡的使用貫穿我國(guó)古代和近代，于青海省海南藏族自治州貴南縣尕馬臺(tái)遺址（屬新石器時(shí)代齊家文化）出土的七星紋青銅鏡，是迄今為止我國(guó)發(fā)現(xiàn)的最早的青銅鏡，距今已有4000余年的歷史。

我們都知道鏡子可以反光，但你是否見(jiàn)過(guò)可以反射出背面圖案的鏡子？在上海博物館里，就收藏了這樣一件神奇的透光鏡——西漢“見(jiàn)日之光”青銅鏡。該鏡重約50克，呈圓形，直徑7.4厘米，鏡面微凸，鏡紐（即鏡子背面中間的把手部分）為圓形。背面外圈刻有銘文“見(jiàn)日之光，天下大明”，一語(yǔ)雙關(guān)，既贊美了鏡子制作精細(xì)，表面光亮可鑒，又喻指當(dāng)時(shí)的政權(quán)如日中天、前景光明，令人民充滿(mǎn)信心。銘文內(nèi)外還各有一圈鋸齒狀的紋飾，背面最內(nèi)圈為八曲連弧紋。從鏡子的形制、銘文、花紋來(lái)看，該鏡應(yīng)鑄造于西漢武帝以后。

“見(jiàn)日之光”青銅鏡的外形雖與一般漢代銅鏡別無(wú)二致，但每當(dāng)日光或燈光照在鏡面上時(shí)，它可以將背面圖像反射到墻壁上，產(chǎn)生如同透光一般的效果，故它又被稱(chēng)為“透光鏡”。關(guān)于透光鏡的形象化描述，最早見(jiàn)于隋唐時(shí)期王度所著《古鏡記》，書(shū)中寫(xiě)道：“承日照之，則背上文畫(huà)，墨入影內(nèi)，纖毫無(wú)失?！蹦纤沃苊芩豆镄岭s識(shí)》和《云煙過(guò)眼錄》，以及明代郎瑛所著《七修類(lèi)稿》和清代徐元潤(rùn)所著《銅仙傳》等書(shū)中都有相關(guān)記載。當(dāng)時(shí)的西方，有人將透光鏡稱(chēng)為“魔鏡”。

透光鏡如此神奇，其原理是什么，又是怎樣制造出來(lái)的？從古至今，有不少研究者提出了自己的觀點(diǎn)。

北宋科學(xué)家沈括在其著作《夢(mèng)溪筆談》中提到，有人說(shuō)透光鏡的鑄造原理為“鑄時(shí)薄處先冷，唯背文上差厚，后冷而銅縮多。文雖在背，而鑒面隱然有跡，所以于光中現(xiàn)”，即鏡子鑄造過(guò)程中由于厚薄不均，冷卻速度不一，使得冷卻后收縮量不一致，導(dǎo)致鏡面“隱然有跡”，且這種痕跡能在光照下顯現(xiàn)。但由于沈括本人不了解制鏡技術(shù)，他也不敢妄下定論，只認(rèn)為這是種推測(cè)。

清代科學(xué)家鄭復(fù)光與沈括持相近觀點(diǎn)。他在著作《鏡鏡冷癡》中指出，鑄造時(shí)鏡子各部分的冷卻速度差異，會(huì)使各處收縮力不同，在鏡面形成細(xì)微凹凸，難以打磨平整。這些細(xì)小的凹凸雖然靠肉眼難以察覺(jué)，卻能在光線(xiàn)的照射下顯現(xiàn)出來(lái)。他寫(xiě)道：“水靜則平如砥，發(fā)光在壁，其光瑩然動(dòng)，則光中生紋，起伏不平故也……銅鏡磨工不足，故多起伏不平，照人不覺(jué)，發(fā)光必見(jiàn)?！?/p>

元代的吾丘衍、明末清初的方以智、清代的徐元潤(rùn)認(rèn)為透光鏡是用鑲嵌法制作而成的，即先在鏡面刻出與背面相同的花紋，填入混有其他金屬的銅液，再覆上鉛，這樣做出的銅鏡就會(huì)產(chǎn)生透光效應(yīng)。

從20世紀(jì)起，外國(guó)科學(xué)家也對(duì)透光鏡的原理做了大量探究，但研究對(duì)象均為日本產(chǎn)的透光鏡，與漢代透光鏡有較大差異。20世紀(jì)50年代末，上海博物館、復(fù)旦大學(xué)光學(xué)系的研究人員開(kāi)始研究漢代透光鏡，并找到了最終答案。

研究人員仿制的西漢青銅鏡

為徹底了解漢代透光鏡的原理，研究人員首先按照前人記載的各種鑄造方式，復(fù)制了一批透光鏡，并與西漢“見(jiàn)日之光”青銅鏡的透光效果進(jìn)行對(duì)比。

研究人員首先嘗試了鑲嵌法。在青銅片上嵌入黃銅（銅鋅合金）和紫銅（銅單質(zhì)），磨平拋光后再涂上一層水銀。在測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，雖然這種青銅鏡有透光效果，但圖像明暗交界處存在一條明顯的界線(xiàn)，而漢代透光鏡形成的圖像明暗過(guò)渡十分柔和，兩者之間有很大差異。且西漢銅鏡較薄，部分地方僅厚0.5毫米，以古人當(dāng)時(shí)的技術(shù)很難使用鑲嵌法來(lái)制造。因此，漢代透光鏡絕不可能是用鑲嵌法制成的。

隨后，研究人員又嘗試了頂劃法。先將青銅鏡加工成型并打磨好，再用一根金屬棒在銅鏡背面沿花紋的凸出部分的邊緣用力劃刻。用這種方法制造的透光鏡，形成的圖像外圈亮，中間暗，長(zhǎng)距離下，映射在墻上的花紋與文字清晰度低。而漢代透光鏡形成的圖像明暗過(guò)渡柔和，長(zhǎng)距離下，映射在墻上的花紋與文字清晰度高。此外，研究人員還嘗試了制作日本透光鏡的磨刮法，其原理與頂劃法類(lèi)似，效果也相近。所以這兩種方法也無(wú)法做出漢代透光鏡。

最后，研究人員又試驗(yàn)了熱處理法。先把鑄成并拋光后的青銅鏡在電爐中加熱，然后放入水中冷卻淬火，最后用金相砂紙和三氧化二鉻拋光。經(jīng)過(guò)測(cè)試，熱處理法做出的銅鏡能實(shí)現(xiàn)與西漢透光鏡完全一致的透光效果。

確認(rèn)制造方法后，研究人員又對(duì)熱處理法所制的透光鏡的透光原理進(jìn)行了深入研究。首先用X射線(xiàn)熒光光譜分析法，排除了熱處理導(dǎo)致鏡體各處組分差異的可能。接著通過(guò)激光測(cè)量鏡面各點(diǎn)發(fā)射率，發(fā)現(xiàn)鏡面存在微小的凹凸不平。再用觀察透鏡成像規(guī)律的方式，排除了反射光強(qiáng)弱造成的差異。鏡面在涂上硫化鋅、鍍金后，依舊存在透光現(xiàn)象，排除了鏡面金屬密度差異或金屬自由電子運(yùn)動(dòng)情況變化產(chǎn)生反光差別的可能性。

銅鏡淬火時(shí)，薄處冷卻得快，厚處冷卻得慢，由此產(chǎn)生的收縮應(yīng)力使得厚處鏡面下凹，薄處鏡面凸起，形成與鏡背圖案相對(duì)應(yīng)的凹凸，等效于鏡面上存在許多凸鏡和凹鏡。在反光時(shí)，凹鏡能使光線(xiàn)會(huì)聚，顯得較亮，成像在透鏡焦點(diǎn)之前;而凸鏡會(huì)使光線(xiàn)發(fā)散，顯得較暗，成像于透鏡焦點(diǎn)之后，最后就形成了明暗過(guò)渡自然的圖像。