花花公子 西装:古代“透光镜”产生“透光”的原理及其复制研究

古代“透光镜”产生“透光”的原理及其复制研究

董亚巍  (鄂州市博物馆)

Abstruct:With recovering and reproducting ancient bronze mirrors .The anthordiscovered the reason of ancient perspective mirror was the windingrate.

Semifinished product of bronze mirror can’t look face . It must bemachining . After machining.The old winding rate was disapper.Thenew winding rate came into being ,the reason of the new winding ratewas that tin and bronze alloy had different metal structure. Anddifferent metal structrue had different degree of intosity,so thenew winding rate had come into being.

Key word:   thewinding rate   semifinished product of brinze mirror

摘要：古代铜镜的透光原理一直存在争议，本文作者通过大量实践证明，古铜镜的透光效应与铸态曲率无关，而与铜镜在加工研磨过程中产生的新的镜面曲率有关。

关键词：古代铜镜 透光镜 文物复制 科技考古

中图分类法：k854.3文献识别码：A文章编号：1001-0327(2002) 03-0082-05

    青铜镜本是古人日常的生活用品，是照面饰容的器物。除此功用之外，在长期使用的过程中，逐渐发现了铜镜有“透光”的功能。所谓“透光”，即是指当镜面对着阳光向物体上反光时，可将镜背的纹饰图案映射到白色的物体上。因此，古人将这种可以反射出背纹的铜镜称之为“透光镜”。其镜虽曰透光，实则为反光；但千百年来其“透光”之名早已约定俗成，今仍按其原名之。

    隋唐间的《古镜记》里有云：隋汾阴侯生，天下奇士也，王度常以师礼事之。临终，赠度以古镜，曰；“持此则百邪远人”。度受而宝之。镜横径八寸，鼻作麒麟蹲伏之象。绕鼻列四方，龟、龙、凤、虎依方陈布。四方外又设八卦，卦外置十二辰位而具畜焉。辰畜之外，又置二十四字。“……承日照之，则背上文画墨入影内，纤毫无失”。这大概是我国关于“透光镜”最早的记载。此后，在历代的一些文献中常可见到有关“透光镜”的记载与论述。如《岩窟藏镜》《铜仙传》《藤花亭镜谱》《金索》《云烟过眼录》《间居录》及《西清古鉴》等，在这些文献里都说到了从西汉至明代古铜镜的“透光”效果。宋代科学家沈括在《梦溪笔谈》卷19云：“世有透光鉴，鉴背有铬文，凡二十字。字极古，莫能读。以鉴承日光，则背文及二十字皆透在屋壁上，了了分明。人有原其理，以谓铸时薄处先冷，唯背文上差厚，后冷而铜缩多。文虽在背，而鉴面隐然有迹，所以于光中现。予观之理诚如是”。沈括注意到了铜镜在浇铸后的收缩及凝固过程中，镜体的薄处先凝固，厚处后凝固，而后凝固部位的收缩率大于镜体相对薄的部位：较厚的纹饰虽然在镜背，但从镜面与纹饰相对映的部位可以隐然看到有缩凹下去的痕迹，这是沈括认为造成铜镜"透光"的成因所在。其实，沈括看到的，只是一个未经磨削加工的镜体毛坯；即就镜面毛坯上有“隐然”的缩凹部位存在，但经磨削加工后，也会将镜面眼睛能看到的缩凹部位磨平的。

    自唐代至清代，我国都有学者在对铜镜的透光效应进行了研究或记载。十九世纪三十年代至八十年代，透光镜流入西方以后，其奥秘使欧州一些杰出的科学家感到困惑；英、法、德、意等国的科学家都曾通过对东方“透光镜”的传统工艺进行了深入的研究后，普遍认为，铜镜透光效应是因铜镜各部位材质不同所致，而这密度差异都是型压引起的。这里的型压，指的是研磨时镜面所受的压力。

    本世纪八十年代至今，我国的学者对古代铜镜的“透光”效应也作了大量的研究工作。上海博物馆与复旦大学合作，通过对铜镜铸后的淬火处理，从而复制出了一枚西汉“透光”镜：交通大学的学者铸出铜镜后，将其研磨致较薄，也得到了可以“透光”的铜镜。以上两处虽都复制出了具备“透光”效果的铜镜，但对其所产生的“透光”原理的认识却不统一；前者认为，铜镜之所以能“透光”，是因镜体在淬火过程中产生了组织应力，至使镜面产生了凹凸不平所致。后者对铸造出的铜镜进行研磨，当研磨至一定厚度时，出现了“透光”效果；用激光干涉测定镜面曲率时，发现镜面总体为凸面，但各部位的曲率有微小起伏，认为铜镜“透光”是因镜体受到铸造残余应力及结构应力的影响所致。

    从宋代的科学家沈括，至现代的科学家及诸多学者，都注意到了镜面“透光”的功能是来自于镜面凹凸不平的曲率，但对镜面如何产生的曲率，各家却众说纷纭，至今也没有一个统一的定论。

    鄂州市博物馆文物复原复制研究所，通过长期对古代青铜镜进行大量的复原复制实验同时对铜镜的"透光"进行了研究后认为，造成古代铜镜产生"透光"效应的因素是镜面的曲率所至，镜面的这种曲率，不是指铸造时因各部位厚薄不一所造成的收缩曲率，而是指镜面在铸后的磨削加工中重新产生的。

    当合范浇铸时，注入范腔的铜液，处在近千度的高温状态下，其铜液本身氧化的速度很快，因此，造成铜镜表面层的氧化是必然的。《淮南子·修务训》记载：“明镜之始下型，朦然未见形容，…。”这说明，古代铸镜时，其铸态毛坯和我们今天铸出的毛坯一样，还只是一个"蒙然未见形容"的灰色的铸件，不能当作镜子使用，必须经过磨削、修整及开光等诸多工序后，镜面才能达到光可鉴人。即然需要磨削加工，就须有一定的加工厚度。根据我们长期的生产实践表明，青铜镜的镜面加工量应当为2～3mm左右，才能将毛坯层及一些氧化物彻底磨完。

合范浇铸时，当高锡青铜液进入范腔后，由于范面与铜液之间有很大的温差，青铜液会很快开始从范壁两边向中心结晶、凝固。其结晶的方式是以树枝状晶从外向内生长，由于合金是从镜面与镜背两面同时从外向内结晶生长，径间必然会产生一条晶界线，这是不可逆转的自然规律。图1为鄂州市博物馆文物复原复制研究所复制出的铜镜的断面，其含铜量为72%，含锡量为24%，含铅量4%，这样的合金配比相当于中型古镜各种合金的平均值；浇注时铜液温度950℃，范温20℃；浇注后5分钟凝固，10分钟后开范取出镜坯，将其打破，在这个断面上，用眼睛就可以清楚地看到，其中心有一条线，这条线就是铜液从两面向中心结晶时的晶界线；凡锡含量超过20%以上的高锡青铜镜，在结晶凝固过程中，(图1)^【1】必然会产生这条晶界线，这一客观规律是不分古代与现代的。但从众多的古代铜镜的断面上，却很难找到这条线，从这一现象可以说明，古代铸出铜镜后，其镜面的加工量是较大的，至少磨削了镜面厚度的一半以上，才能将这条晶界线磨得无影无踪。

   古代青铜镜因镜背有纹饰图案，这些纹饰都呈立体而高于镜背的底平面。由于古铜镜的镜体都较薄，汉代铜镜镜心最薄处一般厚者不超过1.5mm，薄者不足1mm，但这是功成尺寸，是将一层铸态毛坯层磨削掉以后，又经细研磨后的厚度尺寸，并非铸态毛坯尺寸。有纹饰的部位，其纹饰的厚度一般都有2至4mm。唐代以前古铜镜的合金为高锡青铜，其含锡量大都在24%左右，在凝固的过程中，由于铜镜背面有纹饰而造成镜体厚薄不一，使得镜体不能达到同时凝固而有先有后，无纹饰区薄，自然先期凝固，有纹饰区厚，自然后期凝固。先凝固区薄，储热时间短，其氧化程度明显小；后凝固区厚，储热量大，储热时间长，其氧化程度也明显大于先凝固的薄处。

在我们按照唐代铜镜合金复制唐代海兽葡萄镜的毛坯的反、正两面可以看到，凡高起来的部位如镜缘、凸棱及海兽等，因这些部位厚而储热时间长，氧化程度相对大，其颜色呈灰色，其颜色比没有纹饰或浅浮雕的部位的颜色相对深；而那些低纹饰及没有纹饰的部位，由于其剖面体积小储热量小，其氧化程度相对小，其铸态颜色呈灰白色，多数部位接近白色。从镜面毛坯上也可看到，与镜背相映的厚部位，其颜色也是灰色，其氧化的程度也大于镜面其它部位，甚至从镜面毛坯各部位氧化不同的颜色区别中，就可看出镜背有一圈凸棱及七处海兽浮雕。

高锡青铜的凝固过程是以树枝状晶由外向内呈三维方式结晶生长，其合金的结构为由α固溶体、(α＋δ)共析体及Pb组成^【2】，在先期凝固的区域里，(α＋δ)共析体的含量比例相对多，在后期凝固的区域里，其合金里的α相的含量比例相对多。(α+δ)共析体的性质即硬又脆且应力较大，在被磨削加工时其难度相对大，而α相的各种机械性能普遍好于(α+δ)共析体，相对便于加工。当铸后磨削加工镜面时，由于无纹饰区域薄，凝固的快，(α+δ)共析组织含量相对多，其硬度大于有纹饰的部位，其磨削量相对小于有纹饰的区域，而有纹饰的区域厚，凝固晚，α相的含量相对多，虽处在同一个镜面，但在磨削加工时，其部位的被磨削量自然会大于镜体低纹饰及无纹饰的部位，这就造成了同在一个镜面上进行磨削加工时，镜面对映镜背有较高或较厚纹饰的部位，其被磨削量相对大于那些低纹饰或无纹饰的部位；经过磨削以后，镜面形成了有平又有凹的实际效果，这就是镜面曲率产生的原因。镜面磨削量越大，平与凹之间的曲率差异越大；如果镜面磨削量小，其产生的曲率也相对小。

    能造成镜面出现“透光”的厚度，除镜背的浮雕外，一些方框或乳钉等纹饰的部位一般磨至1mm以下，都是可以“透”出来的。而平与凹之间的尺寸差异一般在0.01mm左右，宏观上是看不到这种平与凹的差异的，使用时映照人面也并不会感觉到变形。由于古代镜面是手工磨削，不可能达到绝对平，而都会行成不易查觉的微凸，所以，当镜面反射平行光源如太阳光或烛光时，镜面相对平的部位反射出的光为散射光或者呈漫反射状态，而镜面对映镜背有纹饰的部位，由于相对呈微凹于镜面其它部位，反射出的光就会产生平行反射光；如果凹部效深，反射光源时还会产生反射聚焦效果，这种在一个镜面各部位反射光不同的作用下，就会将镜背的纹饰图显示出来，映照到白色的物体上，这就是古代青铜镜的“透光”原理。

根据这一原理，我们用一枚传世的西汉昭明镜进行试验；1998年10月11日，郑州市收藏家协会副主任王趁意先生拿来一面西汉昭明镜，直径8.2cm，要求我所将其背面纹饰作出“透光”效果来。此镜镜面有较轻微锈蚀，镜面已不能映照出人像。将昭明镜面向下平放在桌面上，取白板纸剪取2cm宽长条将昭明镜外缘围紧，用熟石膏粉与水等分，绞匀后浇到昭明镜背上，待5分钟后凝固，将石膏刮平，将镜面朝上放在工作案上，用锉刀垫着100号砂布锉磨镜面；每锉一遍换一次更细的砂布，从100号砂布至600号水磨砂纸，一遍细于一遍；约半小时，镜面已能隐约反映人像，将镜面在抛光轮上进行抛光后，就如同现代玻璃镜的映照效果了。当将镜面对着阳光或灯光向白色物体上反射光源时，这枚古铜镜的背面纹饰就被映照在白色物体上了。从开始用砂布进行锉磨，至最后的抛光工序，共用时间不足40分钟，镜面的磨削量最多不足0.1mm。

古人将铜镜的这一现象称之为"透光"，将这种具有反射背纹效果的铜镜称之为“透光镜”。这枚能"透光"的昭明镜现由郑州轻型客车厂王趁意先生收藏。   

鄂州市博物馆近年来为贯彻以文补文事业，成立了专门研究古代范铸技术的研究所，对古代青铜镜进行了复原复制生产；为适应市场的需求，常需要作与镜背纹饰不一样的现代透光效果，如某人的肖像或一些吉祥的字句等。但在实际生产过程中，因各个铜镜的氧化层厚度不一至，在磨削加工过程中，还是常会有将镜背纹饰自然“透”出来的现象发生。凡镜面经磨削加工后出现自然“透光”的，都是未接受过专门陪训的工人所为。因镜背纹饰的“透光”效果只有学术价值而没有市场价值，在我们研究所属废品，所以，我们在日常的镜面加工中，需尽量避免铜镜背纹“透光”的出现。以此推测，古代青铜镜在大量制造的同时，应当有大量的“透光”镜被有意无意的制造出来。图2为一枚四神博局镜的“透光”图片，这枚铜镜本计划按客户的要求做成其它的透光效果，因新工操作不当，致使本身的“透光”效果出现了而成为废品。

通过以上两例及我们长期进行复制加工青铜镜的实践来看，古代青铜镜凡镜面最薄处厚度不足1mm者，当时都应该具备“透光”的功能，特别是从西汉中期开始出现的日光镜、昭明镜等，这两个镜种的剖面几何形状，较之战国镜那种平板式的剖面几何形状而言，已有了十分明显的厚、薄差异；正是由于汉代铜镜背纹上出现了明显的厚、薄差异，才使得铸镜体的合金在浇注后的结晶过程中，根据不同的厚度形成了不同的金相结构。因各种金相结构的硬度值不同，致使磨出的镜面产生曲率，从而产生“透光”效应。可以说，镜体剖面几何形状中厚与薄的差异越大，镜面在加工过程中就越容易被磨出曲率来。西汉出现的日光镜与昭明镜，镜心最薄处一般都在2mm左右，而镜缘厚度往往有5至8mm，镜钮更高于镜缘；因其厚、薄差异大，在浇注镜体后的凝固、收缩期内，其合金结晶时必然会产生出不同硬度值的金相组织。由于这两个镜种的镜面都较平，磨削镜面时，往往需将镜心最薄处的厚度磨至1mm以下，才能将铸态毛坯层及镜面的氧化层全部磨完。当镜心最薄处的厚度低于1mm时，是很容易产生曲率的。因此，自古至今，发现这两个镜种有“透光”功能的为数最多。

   通过复原复制生产不难发现，古代青铜镜产生“透光”效应的原因，不是因为镜面铸态毛坯上的曲率所至；虽然用眼睛就可看到镜面毛坯层的曲率，但这是铸造形成的曲率，是由于镜体薄处先已凝固，当镜体后凝固的厚处开始凝固时会产生应力，应力将已凝固的表皮拉向中心而产生的曲率；尽管这时的镜面上存在着曲率，但铸态毛坯的镜面不具备反射光源的功能，既不能当镜子照面饰容，更不可能“透光”。若要铜镜能够使用，须磨削加工镜面，在对镜面进行磨削加工的过程中，铸态的曲率首当其冲的被磨削平了。因此，当这种铸态镜面有曲率的铜镜铸件被磨削加工以后，只要没有磨到一定的厚度尺寸，就不可能反射出镜背的浮雕纹饰。图3为用唐代海兽葡萄镜制作的与镜背纹饰毫不相关的“福”字的“透光”效果，这足以说明，如果铸态毛坯镜面上的曲率始终存在的话，就没有可能作出与镜背纹饰毫不相关的“透光”效果；同时也说明，古镜“透光”的成因，与铸造产生的曲率无关，而是当镜面最薄处的厚度被磨至1mm左右时，才因各部位的厚、薄硬度不相同，从而造成各部位被磨削的深度不同，开始产生新的曲率所至。

2002年1月5日，河南省安阳市的文物收藏家常庆林、李淮成两位先生带来一枚西汉昭明镜，要求将这枚铜镜磨出“透光”效果来。如图4所示，此镜虽经历了2000余年，但因其含锡量高，至今还保持了棱角分明的品相，锈蚀并不严重；其镜面平整光滑，虽没有长出固体的氧化锈，但已经不能够反射光源。因此，已不能正常使用，更谈不上“透光”了。如上述工艺，我们用石膏将这枚昭明镜背浇固后，将镜面朝上用锉刀垫着120号砂布锉磨镜面；当将镜面的氧化层全部被磨完以后，镜面呈现出与现代玻璃镜一样的效果。此时将镜面对着阳光将光源反射到白色物体上时，白色物体上只是显现出一个与镜面一样的亮光，并沒有“透光”出现。此时可以说明两个问题，其一，铸造时由于金属的冷却收缩，在毛坯上所产生的镜面凹凸不平的曲率早被古代西汉时期的工匠在加工镜面时就已经被磨平了；其二，此时的镜面沒有“透光”效果出现，是因为还沒有磨到位。

我们将此镜放在工作案上继续进行研磨，当又磨去了一定的厚度之后，再对着阳光反射光源时，已开始有了一些镜背的纹饰被反射出来，但不十分明显。我们又进行了第三次研磨，才将镜背的纹饰基本都显示了出来。图5是这枚铜镜的透光效果，可以看到镜背纹饰中的每一处高出平面的部位亮影。笔者认为，如果再继续往下研磨镜面，其“透光”的效果将会更加明朗。

综上所述笔者认为，古铜镜的“透光”效应与铸造时镜面毛坯上所产生的曲率无关，古铜镜的“透光”效应产生于镜面的后期加工研磨过程中。其镜面之所以产生曲率使之出现“透光”效果，是因为镜面被磨至一定的厚度时，由于镜面各部纹饰的厚度差异所造成的铜液在浇注后的凝固阶段产生了不同的金相结构，而不同的金相结构有不同的硬度值；凝固快或疑固早的相对较薄的部位，其合金中δ相含量相对多，其区域的合金硬度值相对较大；凝固慢或疑固晚的相对较厚的部位，其合金中α相含量相对多，其区域的合金硬度值相对较小；在同一个镜面上的硬度值有大有小，使用同一套工具进行研磨，当磨到一定的厚度时，是必然会产生出曲率来的。而这种新的曲率的产生，是铜镜合金各部位的硬度值不同所使然。

根据以上原理可以认定，古代铜镜在当时应有许多是具有“透光”效果的；特别是隋代以前至西汉时期的铜镜尤其如此。在这一历史时期内的铜镜里，其镜面薄、浮雕纹饰高，是铜镜能产生“透光”功能的重要因素。因保存至今的古铜镜大都已经历了千年以上的化学变化，又不能将文物翻新，且大多已锈迹斑斑，宏观上已无法来验证其是否能“透光”。

其实，全国大大小小的博物馆基本都有古代铜镜藏品。在这些藏品中，往往有“透光”镜隐藏于其中，只是没有被发现。如果仔细检查，相信会有古代“透光”镜被发现的。

2001年5月，笔者在河南省南阳市博物馆学习时，该馆的刘绍明先生隨手拿出一枚汉代的铜镜，欲一试此镜能否“透光”；此镜两面都已成为黑漆古，本想“透光”的可能性不大。当将镜面对着阳光向走廊的墙上反射光源时，我们看到此镜的背面纹饰被亮光反映到了墙上。这一事例说明，在馆藏铜镜中，可能还有不少“透光”镜未被发现。同时也说明，古代的“透光”镜可能是比较普遍的。

【1】此图由北京科技大学冶金史研究所周忠福博士摄制。

【2】孙淑云、N.F.Kennon澳大利亚卧龙港大学《中国古代铜镜显微组织的研究》〖中国冶金史论文集〗第二集第57一60页，北京科技大学1994年3月。

    注：此文发表在《江汉考古》2002年第3期。