西汉“见日之光”透光镜的科学原理

朱子墨

从古至今，镜子都是人们生活中不可或缺的物品。但古人使用的镜子，在材质、制作工艺、形态等诸多方面，与我们今天使用的镜子有着天壤之别。

远古时期，人们会利用自然界中的水作为镜子。陶器发明后，则利用陶盆盛水当作镜子。随着矿藏开采、金属冶炼、铸造技术的逐步成熟，人们开始使用铜、锡等材料制作“青铜镜”。青铜镜由两面组成，镜面打磨得十分光滑，背面装饰着各类纹样或刻印字句，一方面起到美化作用，另一方面用于表达各种寓意。铜镜的使用贯穿我国古代和近代，于青海省海南藏族自治州贵南县尕马台遗址（属新石器时代齐家文化）出土的七星纹青铜镜，是迄今为止我国发现的最早的青铜镜，距今已有4000余年的历史。

我们都知道镜子可以反光，但你是否见过可以反射出背面图案的镜子？在上海博物馆里，就收藏了这样一件神奇的透光镜——西汉“见日之光”青铜镜。该镜重约50克，呈圆形，直径7.4厘米，镜面微凸，镜纽（即镜子背面中间的把手部分）为圆形。背面外圈刻有铭文“见日之光，天下大明”，一语双关，既赞美了镜子制作精细，表面光亮可鉴，又喻指当时的政权如日中天、前景光明，令人民充满信心。铭文内外还各有一圈锯齿状的纹饰，背面最内圈为八曲连弧纹。从镜子的形制、铭文、花纹来看，该镜应铸造于西汉武帝以后。

“见日之光”青铜镜的外形虽与一般汉代铜镜别无二致，但每当日光或灯光照在镜面上时，它可以将背面图像反射到墙壁上，产生如同透光一般的效果，故它又被称为“透光镜”。关于透光镜的形象化描述，最早见于隋唐时期王度所著《古镜记》，书中写道：“承日照之，则背上文画，墨入影内，纤毫无失。”南宋周密所著《癸辛杂识》和《云烟过眼录》，以及明代郎瑛所著《七修类稿》和清代徐元润所著《铜仙传》等书中都有相关记载。当时的西方，有人将透光镜称为“魔镜”。

透光镜如此神奇，其原理是什么，又是怎样制造出来的？从古至今，有不少研究者提出了自己的观点。

北宋科学家沈括在其著作《梦溪笔谈》中提到，有人说透光镜的铸造原理为“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”，即镜子铸造过程中由于厚薄不均，冷却速度不一，使得冷却后收缩量不一致，导致镜面“隐然有迹”，且这种痕迹能在光照下显现。但由于沈括本人不了解制镜技术，他也不敢妄下定论，只认为这是种推测。

清代科学家郑复光与沈括持相近观点。他在著作《镜镜冷痴》中指出，铸造时镜子各部分的冷却速度差异，会使各处收缩力不同，在镜面形成细微凹凸，难以打磨平整。这些细小的凹凸虽然靠肉眼难以察觉，却能在光线的照射下显现出来。他写道：“水静则平如砥，发光在壁，其光莹然动，则光中生纹，起伏不平故也……铜镜磨工不足，故多起伏不平，照人不觉，发光必见。”

元代的吾丘衍、明末清初的方以智、清代的徐元润认为透光镜是用镶嵌法制作而成的，即先在镜面刻出与背面相同的花纹，填入混有其他金属的铜液，再覆上铅，这样做出的铜镜就会产生透光效应。

从20世纪起，外国科学家也对透光镜的原理做了大量探究，但研究对象均为日本产的透光镜，与汉代透光镜有较大差异。20世纪50年代末，上海博物馆、复旦大学光学系的研究人员开始研究汉代透光镜，并找到了最终答案。

研究人員仿制的西汉青铜镜

为彻底了解汉代透光镜的原理，研究人员首先按照前人记载的各种铸造方式，复制了一批透光镜，并与西汉“见日之光”青铜镜的透光效果进行对比。

研究人员首先尝试了镶嵌法。在青铜片上嵌入黄铜（铜锌合金）和紫铜（铜单质），磨平抛光后再涂上一层水银。在测试中发现，虽然这种青铜镜有透光效果，但图像明暗交界处存在一条明显的界线，而汉代透光镜形成的图像明暗过渡十分柔和，两者之间有很大差异。且西汉铜镜较薄，部分地方仅厚0.5毫米，以古人当时的技术很难使用镶嵌法来制造。因此，汉代透光镜绝不可能是用镶嵌法制成的。

随后，研究人员又尝试了顶划法。先将青铜镜加工成型并打磨好，再用一根金属棒在铜镜背面沿花纹的凸出部分的边缘用力划刻。用这种方法制造的透光镜，形成的图像外圈亮，中间暗，长距离下，映射在墙上的花纹与文字清晰度低。而汉代透光镜形成的图像明暗过渡柔和，长距离下，映射在墙上的花纹与文字清晰度高。此外，研究人员还尝试了制作日本透光镜的磨刮法，其原理与顶划法类似，效果也相近。所以这两种方法也无法做出汉代透光镜。

最后，研究人员又试验了热处理法。先把铸成并抛光后的青铜镜在电炉中加热，然后放入水中冷却淬火，最后用金相砂纸和三氧化二铬抛光。经过测试，热处理法做出的铜镜能实现与西汉透光镜完全一致的透光效果。

确认制造方法后，研究人员又对热处理法所制的透光镜的透光原理进行了深入研究。首先用X射线荧光光谱分析法，排除了热处理导致镜体各处组分差异的可能。接着通过激光测量镜面各点发射率，发现镜面存在微小的凹凸不平。再用观察透镜成像规律的方式，排除了反射光强弱造成的差异。镜面在涂上硫化锌、镀金后，依旧存在透光现象，排除了镜面金属密度差异或金属自由电子运动情况变化产生反光差别的可能性。

铜镜淬火时，薄处冷却得快，厚处冷却得慢，由此产生的收缩应力使得厚处镜面下凹，薄处镜面凸起，形成与镜背图案相对应的凹凸，等效于镜面上存在许多凸镜和凹镜。在反光时，凹镜能使光线会聚，显得较亮，成像在透镜焦点之前;而凸镜会使光线发散，显得较暗，成像于透镜焦点之后，最后就形成了明暗过渡自然的图像。