神秘的颜色：紫色

神秘的颜色：紫色

《宇宙》第19期 2008年2月

菲奥娜·麦克米伦

1974年中国秦始皇兵马俑出土，但是对陶俑的一种颜料成分仍难以理解，至今困扰着考古学家、化学家和物理学家。

上图为两尊陶俑的复制品。专家认为陶俑原本被绘上的色彩如图所示。对陶像的绘色进行一番研究调查之后，保护专家认为所有陶俑绘色各不相同。

图片提供：不列颠博物馆/C·罗斯

你怎么调出紫色？任何一个刚上完美术课的孩子都能告诉你：混合蓝色和红色就可以了。

听起来很简单，但是新的研究发现，关于紫色的故事，几乎横跨三千年，与之相关的却是一支被埋藏的军队、长生不死、爱因斯坦、一个消失的维度、还有你最爱的一条退了色的蓝牛仔裤。就是那么平淡无奇，一切从寻找水源开始。

1974年春天，中国中部的陕西省遭遇干旱。临潼市附近，当地农民开始开水挖井灌溉。他们没有找到水——但是他们找到的是被认为现代世界奇迹之一的兵马俑。

这些农民偶然发现了秦始皇的部分随葬品。秦始皇是中国第一位皇帝，死于公元前210年。按照那个时代的观点，秦始皇要求一支灵军来陪伴保护来生的他。超过8000个真人大小的陶俑，马匹以及其他陶像，都是作此用途。

今天，这些陶俑都是自然的陶土颜色，但是它们之前的颜色并非如此。凯瑟琳娜·布兰斯多夫是德国慕尼黑理工大学的文物保护专家。眼下她正在临潼，运用陶像残留的微量绘色，研究这些陶俑2000多年前是什么样子。

但是粘合陶俑上颜料的油漆被水浸过，出土以后又被风干，导致漆皮脱落和丧失。那么这些陶像原来是什么样子呢？

布兰斯多夫说，“色彩鲜艳，花色斑驳。我还没有发现具有相同颜色的陶俑。”她怀疑现实中的秦俑就是如此纷繁斑驳，不过，“作为农民士兵，他们应该是买不起这种衣服的”。

这些兵俑——特别是那些代表高级士兵陶俑的一种着色——是紫色。这对考古学家来说，是个难解的题，因为紫色在古代的人工制品中极为少见。

亨氏·伯克是瑞士苏黎世大学的古代颜料专家，也是一位化学家。他说，“蓝色，还有紫色都不是陶土的颜色。在地表土壤你找不到这样的颜色。”

采矿业诞生，蓝色颜料才开始出现在人类历史上，即使那样还是很稀少——因为天青石很少。天青石是一种蓝颜色的石头。伯克说，“纵观整个古代世界，在今天的阿富汗只发现一种矿石。那是一种稀有的蓝色的石头，非常昂贵。”对埃及人来说，这种石头可与金子相匹敌，所以人们经常一起使用它们。

由于大多数其他颜料与植物染料无法维持本身的颜色，因此替代品非常难寻。伯克以牛仔裤上靛蓝色的消退为例，解释道，“它们性质不够稳定。”他还说无论如何染料不能用作颜料。

染料分子的纤维附着性很好，但是在硬面物质上如陶器就不那么好了。而颜料分子构成小颗粒，与粘合物如蛋黄、油或漆混合时，可以漆在固体表面。

然而，染料价值不菲。从古代的黎巴嫩到罗马时代，从软体动物提取的紫色染料还很稀少，于是紫色便成了地位的象征。直至今天，紫色仍与高贵、权力和富裕有关。

20世纪90年代初期，德国慕尼黑的巴伐利亚州文物研究部（Bavarian State Department of Historical Monument）研究者进行了详细的化学分析。研究显示，陶俑上所发现的紫色是硅酸钡，化学式是BaCuSi2O6。这种物质在汉朝（公元前206到公元220年）的人工制品上也被发现，被称为“汉紫”——虽然这种物质被探测到的人工制品，可以追溯到公元前700年或这更早。

汉紫从何而来？进行简单的化学探测就知道，自然界并没有硅酸钡，所以它应该是合成物。这就是说，就在2700年前，指南针与造纸术还没有出现的时候，中国工匠就能利用无机化合化学。

但是再仔细些观察这些光泽十足的色彩成分，就会发现一个新的谜题。那就是从化学角度看，汉紫（BaCuSi₂O₆）与另外一种颜料汉蓝（硅酸铜钡，化学式为BaCuSi₄O₁₀）有细微不同。

这并没有什么特别的地方，但是反过来，汉蓝跟埃及蓝看起来很相像。埃及蓝是一种化学化妆品，与汉蓝惊人相似。把汉蓝中的钡换成钙就得到了埃及蓝：CaCuSi₄O₁₀。

只有一种例外，直到18世纪末期，这些是仅有的合成蓝色或紫色颜料。埃及人远在公元前3600年就制成了埃及蓝，或者是巧妙地把矿物如孔雀石（其中含有铜）、沙子（含有硅酸盐）还有从石灰岩中采集的石灰（含有钙）混合，然后加热到约900-730℃（注：原文为900?C，译者根据相关资料作了修改）。盐类普遍存在于自然界，如芒硝被用作熔剂——一种允许物质在低温下发生化学反应的催化剂。

所有这些都提出了一个引人入胜的问题：有没有可能是埃及人把他们的制作方法传给了中国人，然后中国人用重晶石（含有钡）代替石灰，从而制成汉蓝和汉紫？如果是的话，这就表明这两种文化在约公元前130年丝绸之路开通之前，就已经发生了直接的交流。

但是在中国根本没有发现埃及蓝。还有，中国人为什么要用钡来代替钙？中国石灰岩资源丰富，而且使用钡要求温度更高。最后，还有一件扰人的小事：所有的中国颜料都含有铅。这已成为最重要的线索。

为了寻找汉紫的源头，伯克与同事使用扫描电子显微镜——以电子而非可见光——观察汉紫颜料，精确到微米（千分之一毫米）。

他们还使用了一项技术，能量分散X射线分析（EDX）。样本中的原子，遇到电子束会吸收其能量，然后以X射线的形式放射出能量，或者是“发荧光”。每个元素都有其独特的X射线信号，所以可以由此绘制出样本内各元素的测位。

研究者使用这些技术，推断原料可能是被溶化了的，铅的分布也不均衡。如果从颜料中分离出铅，就表明铅可能被用作熔剂。

加州斯坦福大学的物理学家阿珀瓦·梅塔与刘志（音译自Zhi Liu）想要进行更深的研究。他们确定，为了分析如此细微的事物，必须从大处着眼。

美国劳伦斯伯克利国家实验室先进光源（ALS）是一种同步加速器设施，有一个足球长大小，对该项研究来说，似乎是个不错的起点。在同步加速器里，磁铁迫使电子以近乎光的速度在圆形轨道中运行。

磁铁迫使电子绕环运动，电子就会以X射线的形式发射电磁辐射。这些X射线比太阳光要亮十亿倍，聚焦光束仅为一微米宽。

刘志在回国访问途中，参观了秦俑博物馆，并与那里的研究者薄荣（音译自Bo Rong） 和周铁合作。他们提供了五毫米的跪射俑战袍上的汉紫样本。

那么他跟梅塔是怎么处理这片宝贵的考古样本呢？梅塔说，“我们取了一点样本，然后捣碎。”同步加速器的X射线反射颜料晶体的分子时，就形成了包含关于晶体构造和分子构成的绕射图。梅塔说，“我们然后计算出这些颗粒的大小，以及是如何形成并稳定下来的。”

接下来，他们试验了X射线的荧光性。原子遇到X射线会吸收能量，然后以另一种X射线的形式释放能量——或“发荧光”。这跟EDX很像，不过使用同步加速器X射线而非电子让这个过程更加精确。由于每种元素都有其独特的荧光信号，物理学家便用这些信号绘制样本结构，然后标以清晰的数据。

在微小的颜料块中间是一小滩铅水，大块的颜料晶体生于其中。梅塔说，这就是有力的证据，“铅是人们故意注入样本的……用作熔剂控制温度。”

据伯克介绍，铅起另外一个非预期的作用：铅盐可以催化重晶石的分解过程，从而形成想要的颜料。他怀疑，这对当时的工匠来说驾轻就熟。

这些独特的物质以及他们的新用法，表明中国颜料与埃及蓝是各自独立发展的。那么中国颜料制作过程又是如何发展的呢？最初描述汉紫时，提到其含有钡、铅和硅酸盐——跟中国古代玻璃制作所用的成分完全相同——而玻璃制作早在公元前1100年就开始了。

许多古代玻璃都是玉石的仿制品。“玉石”概念很广泛，但是古代中国的玉石通常是指软玉矿物。7000多年来，玉石都非常宝贵，用于饰品或仪式物品。

内森·席文是费城宾夕法尼亚大学的科学历史学家和中国文化专家。他解释说，“就我们所知，到公元前3世纪或更早，当时的中国人都把玉石跟永生联系起来。”他说，虽然那时永生意味着以先人的身份活在其家族的记忆中。

刘志和梅塔怀疑，汉紫是否是道教炼金术士尝试用玻璃制造技术合成玉石的一个副产品，那可能是作为对长生的一种理解方式。不过，席文认为道教与玻璃制作之间并无联系。何况这其中还牵涉到时间的问题。

伯克表示，最早有记录的汉紫的使用远远在道教产生之前。不过，这个证据的确指向汉紫和玻璃制作之间的联系。用玻璃仿制玉石，这之间更深的联系，不能忽略。虽然伯克认为颜料与玻璃质之间的关系极有可能出现的更早，但是他说，“我们需要做的就是进行更多的调研。”

他说，“一切都始于釉，然后有了平行发展，一个是玻璃制作，一个就是制作出这种蓝色和紫色颜料。”他暗示，埃及与中国早期采用的釉技术可能同源。

伯克还指出，蓝色和紫色颜料可能就其本身来说，具有极为丰富的文化意义，因为有证据标明在古代丧葬仪式上颜料棒开始代替了玉石。

近千年来，汉紫用来装饰陶器、钱币、墓葬甚至是一支灵魂大军。接着，公元200年左右，汉紫不再使用。可能是在标志汉朝的结束的政治动荡与内部斗争中丢失了配方。

故事并未到此为止。几千年后，在20世纪80年代末期，在一些最不可能出现汉紫的地方，汉紫重现。

苏茨塔·塞巴斯蒂安是英格兰剑桥大学的凝聚体物理学家，他说，“人们试图合成高温超导体时，意外发现这种副产品。”

研究者正筹备对含有钡和铜的物质样本进行研究。他们加热由硅石制作的容器内的混合物时，在容器内形成一种品红残基。那就是BaCuSi₂O₆——汉紫。迄今，该现象引起凝聚体物理学家诸多兴趣。

然后，在2004年，又出现了出人意料的转折。美国新墨西哥州洛斯阿拉莫斯国家实验室（LANL）的一支国际研究团队降低温度直至接近绝对零度（-273°C），然后把汉紫置于高性能磁场中。

这导致汉紫分子的磁波进入极少被观察到的量子物理状态，被称为玻色-爱因斯坦凝聚态（BEC）。物理学家对BEC很感兴趣，是因为它们为进一步研究磁波是如何在量子层面运动的提供机会：在汉紫分子中，从铜原子中产生的磁波产生重叠，形成较大的磁波。

塞巴斯蒂安还有其他来自斯坦福和LANL的研究团队都在收集新的测量值，但是随着温度的逐渐降低，他们发现了不平常的现象：汉紫磁波没有了维度。

塞巴斯蒂安说，“由于磁性，汉紫分子的运动如水面一样，所以没有形成巨大的三维磁波，但是形成了巨大的二维磁波。”他还说，这是以前没有观察到过的现象。

其实，人们认为，绝对零度下不可能发生那种情况，这被称为“量子极限”——在这个临界点上，所有热运动停止，只存在量子运动。

她说，“我们这一发现很惊人——量子效应可以使维度消失。”由于汉紫独特的原子排列，分子之间的交互方式使其能够进入这些不同寻常的量子状态。

这项发现很可能应用在新超导材料与量子计算的发展方面，所以汉紫的故事远未结束。

但是，也可能那根本不是紫色。最近，伯克发现汉紫，在其最纯的形式下，其实是一种暗蓝色。或随着时间或温度的改变，分解之后形成少量的氧化亚铜。蓝色与红色结合成紫色。就像任何一个孩子会告诉你的那样。