揭开西汉透光古镜之谜

揭开古镜之谜

　　这张照片珍藏在上海博物馆原馆长马承源老先生的家中。总理手中拿着的是一面著名的西汉透光古镜，也就是能够在反射光中现出背面纹饰的镜子。那是1969年夏天的一个下午，上海博物馆迎来了一位尊贵的参观者，周恩来总理，总理是一个人来的。

　　上海博物馆原馆长马承源先生回忆说，我们把最好的文物搬出来请总理欣赏，其中有透光镜。那么我把透光镜介绍给总理，总理觉得这个事情很奇怪，他亲自把这个透光镜拿到我们这个窗口上反复看，我就给他解释。那么总理也对透光镜的原理做了种种推想，当然这个不是实验的结果，只是一种推想，最后他说，这个你们以后要好好地做工作，把这个道理搞清楚。

　　透光的说法是从唐代开始的，因为光线好像是穿透了金属的镜体，从镜子背面反射出来一样，所以透光镜的称呼也就传了下来。然而遗憾的是透光镜的制作方法却未能代代相传，反而给后人留下了一个谜团，透光镜也从此披上了一层神秘的色彩，被外国人称为魔镜。

　　一千多年来，这种神奇的现象吸引了古今中外的众多学者，从我国宋代的沈括到清朝的郑复光，从中国到大洋彼岸，无数学者试图揭开这困扰了世界千年的古镜之谜，但是没有人去用实验的方法来证实自己的猜测，或者更确切地说，没有人真正复制出与西汉透光古镜完全相同的镜子来。

　　直到1974年，我国学者铭记起总理的话，才真正投入到西汉透光古镜的研究中去。

　　马承源先生回忆说，我后来是请了阮崇武先生，他是当时上海科协主持这方面的工作。那么我们组织了很多高级工程师在博物馆开会，他来主持这个会议，分配任务，设想了各种方案、各种青铜透光镜可能成因的方案。交大、复旦、同济，还有几个厂一起做的，一起用不同的方案做的。

　　如果能搞清透光镜与其他铜镜的不同，答案可能也就找到了。由于上海博物馆有上万枚铜镜，发现所谓透光现象的只有四枚，而且都出现在汉代。那么汉代的镜子有什么特点吗？与它之前战国时期的平面镜相比，汉代有很多镜子是凸面的，而透光镜就是凸面的。这是西汉透光镜的第一个特点：凸面镜。

　　在铜镜的铸造过程中，当温度高达上千度的金属液倒入事先做好的陶范，也就是古代铸铜用的模具，金属液在陶范中有个冷却凝固的过程，而问题也就在这个过程中出现了。

古镜

　　我们先来看看这四面透光镜的边缘，它们有一个共同的特点，就是相对镜体来说有一个又宽又厚的镜环。由于镜体较薄，所以冷却快，而镜环宽厚则冷却速度慢。所以当镜体已经固定成型后，镜环还在冷却收缩，对镜体产生了一种紧箍作用，形成铸造残余应力。宽厚的镜环就是西汉透光镜的第二个特点。

　　上海交大的盛宗毅教授参加了研究，他发现镜子在铸造的时候，必然会产生很大的内应力。实际上他们在浇铸的时候，开箱早一点，这个镜子就裂掉了，这就证明它的内应力是很大的。

　　虽然镜体内部的应力很大，但镜体本身的刚度也很大，所以镜环的紧箍起初并不对镜子产生什么影响，就像用手去掰一块厚厚的铁板，铁板不会有丝毫变化。但铜镜只有不断的磨才能保持光可照人。古时有一种磨镜的职业，宋代的磨镜人一定具备凹面的磨石，镜子在不断地研磨变薄时，镜子本身的刚度也就降低了，从而残余应力得到释放，镜体产生变形，向镜面方向拱起，这时就像同样用手去掰一块薄铁片，铁片就会变弯。

　　我们来看透光镜的剖面图，镜体很薄，镜子有纹饰、铭文的地方和没有纹饰、铭文的镜底厚薄差距很大。当镜体产生变形时，镜底向镜面方向拱起程度大，而镜环和纹饰的部位拱起小，所以形成了镜面的凹凸不平，当然这种变化肉眼很难看到。所以镜体薄，镜背凹凸处薄厚差距大是透光镜的第三个特点。

　　当一束平行光投射到镜面时，有纹饰的地方较平，反射光集中，而无纹饰的地方由于凸起，反射光发散，所以有花纹的地方反射到墙上的光明亮，而没有花纹的地方暗，墙上呈现出与镜背相同的图案。沈括和郑复光便看到了这一点。

　　但是，在一千年前，沈括便发出疑问，为什么他这里也有很薄的镜子，却不能透光呢？西汉透光镜还有一个特点，就是它的花纹是环向分布的，只有这时才能产生显著的环向铸造残余应力，在镜面形成较为规则的凹凸来。

　　马承源先生说，我们做了七个月的时间，最后交大首先出来的。那么这个透光镜的原理终于搞清楚了，是铸造跟磨制的结果。

　　在充分研究了西汉古镜的特点后，研究人员又通过不断地试验和理论论证，终于复制出完全与西汉古镜相同的镜子，并得出“铸造成因，研磨变形”的结论。这也正是清朝郑复光得出的结论。

　　研究的结果是可以告慰总理的，在总理诞辰100周年的时候，上海交大制作了一面精致的镜子，反射在光影中的，是我们所熟悉的总理的面容。当然，这面镜子已经不是古代所讲的透光镜。

　　无论西汉古镜是有意制造还是无意中得到的，后世的研究却为现代科学带来一些启示。

　　盛宗毅教授谈到他们研究结果在现代科学中的应用说：上海激光所，他们原来想要做一个非常光滑的能够反射激光平行光线的镜子。他们在制造过程中感觉到反射的平行光线不平行，所以他们认为好像镜子的曲面不均匀。所以他们去给它磨得更均匀。结果呢，越磨越不均匀。后来我和他们分析了之后呢就感觉到，噢，他们的镜背和托架是铸造在一起的，这个原理恰恰是和透光镜一样。就是你越磨，它的应力释放就越大。这个内侧的镜面变化就越大，那么越产生向不好的方向发展。之后他们就说去把镜体和镜架完全脱开，听说他们现在把这个问题解决得很好。

　　我们也许无法尽详古人铸造透光镜的方法，但他们从发现透光现象到有意识地制造透光镜，而且还认识到透光的本质，这都说明了中国古代劳动人民的智慧，英国科学家李约瑟博士认为：这大概是在通往掌握金属表面微细结构道路上迈出的第一步。