藏在巷口小廟裡的千年古佛

量子足跡何處尋第五集：X光螢光

位於京都左京區八瀬近衛町的妙傳寺原本是間不太出名的小廟，這間小廟是八瀬童子的菩提寺，所謂「八瀬童子」是指一個村子，村民在天皇的儀式和葬禮期間，負責擔任抬轎子的轎夫。這所廟之所以不起眼，一來是因為它是江戶時代才蓋的寺院，而且附近有間同名而且還是由日蓮宗祖師爺的弟子在室町時代開創的寺院。但是在2017年一月，這座小廟居然出現在NHK晨間新聞，成了舉國皆知的廟宇。原來廟中供奉了一尊50公分的「半跏思惟像」銅鎏金佛像，大家原本都以認這是江戶時代鑄造的仿古佛像，但是大阪大學和東京國立博物館的研究人員對這尊佛像進行了檢驗，發現佛像的金屬成分的結果發現，銅約佔86%，錫約佔 10%，幾乎不含鉛。當時在日本和中國的佛像中都沒有這種合金比例，只有7世紀左右在朝鮮半島製作的佛像所用的金屬符合這個比例，所以判斷這尊佛像很可能是百濟傳入日本的早期佛像!

這裡簡單介紹一下，什麼是半跏思惟像。半跏坐指的是左足支地、右腿盤起橫放在左大腿上，而思惟相則是手托著下巴貌似思索的模樣。半跏思惟像就是結合了半跏坐姿和思惟相的佛像，通常對象不是悉達多太子就是彌勒菩薩。這種姿勢的佛像在日本古代的飛鳥時代，以及奈良時代非常流行，但後來就比較少見了。其實「半跏思惟」在亞洲大陸曾經十分受歡迎，從十六國到北齊、北周都相當流行，直到隋唐之後才逐漸趨少見。日本的佛教六世紀時從朝鮮半島傳入，所以佛像的樣式與亞洲大陸明顯有點時間差。由於妙傳寺是座時代晚近又不起眼的小廟，所以沒有人想得到裡頭供奉的是貨真價實的千年古佛!負責調查的大阪大學的藤岡穣教授甚至說，這是國寶級的佛像呢!藤岡穣教授迄今為止，已對日本、中國和韓國的約400尊古老佛像進行了調查。他說是國寶，那當然是國寶囉。這下子不得了了，廟方趕緊使用 3D 掃描儀製作了一個仿製品並供奉在寺廟中，而真品則保存在博物館中!因為從百濟傳入日本的早期佛像，經過天災戰亂，早就有如鳳毛鱗角。這麼珍貴的佛像，當然不能拿去鎔掉，所以是如何知道它的金屬成份的呢? 這又是量子的功勞了。科學家活用量子理論，發明許多神奇寶貝，用這些厲害的工具，研究人員就可以輕而易舉地分析古物的成分。

這一次研究人員用的法寶叫做X光螢光光譜儀（X-ray Fluorescence Spectrometer，簡稱為XRF光譜儀），它是一種快速、非破壞式的分析方法。所謂的X光螢光是用高能量X光或伽瑪射線去撞擊材料，特定元素被照射後會被激發而放出頻率與入射光不同的X光。從這些被激發的X光螢光的強度與頻率就能用來判斷材料的元素組成了。

為什麼特定元素會發出特定的X光螢光呢?這當然就是量子物理的神奇效果囉。

圖片來源：維基百科

依照量子力學，特定元素內有特定的能階。而電子會依照前幾回提到的包立不相容原理，從內層依序填滿到外層。當X光打到特定元素時，內層電子吸收X光後被激發到外層的高能階而留下空缺，外層的其他電子就有機會躍遷到內層來，並發出相應的電磁輻射。由於這些輻射的頻率取決於能階的能量差異，而不同元素的能階都不盡相同，所以不同的元素會放射出各自的特徵 X光，具有不同的頻率。檢測器(Detector)偵測到這些 X光，儀器軟體系統就將其轉為對應的訊號。我們就可以從這些訊號判定樣品的元素組成了。

這個方法被廣泛用於元素分析和化學分析，特別是在研究金屬、玻璃、陶瓷和建築材料，以及在地球化學研究、法醫學、和考古學等領域。而在熱門的半導體產業中，XRF 是半導體封裝製程可以快速檢測 IC 樣品內部缺陷，進行金屬薄膜，監督厚度分析，提高產品合格率不可缺少的技術之一。

值得一提的是，有名的阿基米德羊皮書(The Archimedes Palimpsest)某些內容之所以能重見天日，也完全靠XRF的幫助。這本「阿基米德羊皮書」，是某個不知名的抄寫員所抄的阿基米德科學著作。大約800年前，這本羊皮紙遺稿被一名中世紀修道院的僧侶所保管，當時這名僧侶在寫祈禱書時，竟然拿出了修道院收藏的阿基米德遺稿，一頁頁洗去上面的墨水，然後在羊皮紙上抄寫祈禱書。幸運的是，這名僧侶當時並沒有完全洗盡遺稿上的字跡，羊皮紙上還留著一些淡淡的痕跡。之所以要大費周章地重新利用舊抄本是因為那時人們用的還是所謂的「羊皮紙」，就是羊的皮剝下來，分成薄薄的幾層，經過乾燥等處理後做成的紙，因此十分珍貴。這名修道士使用由浮石粉和檸檬水混合製成的「墨水」，在價值連城的「阿基米德羊皮書」上重新寫了祈禱文。這本羊皮書後來歷經各式各樣的神奇經歷，最後由一名私人收藏家在1998年花了200萬美元買到的，他交給美國馬里蘭州巴爾的摩市的「沃特斯藝術博物館」保存。博物館的研究人員一直想盡辦法，企圖再現這本書的原文。他們嘗試用各種波段的光來掃描羊皮書，盡量補捉那若隱若現的古代筆跡，一睹阿基米德的大作。

經過數年的努力，雖然重現了部分原稿的字跡，但還是有不少頁的羊皮紙，卻不幸地無法辨認，因為它們被經手的商人塗上顏料，模仿成拜占廷的宗教畫，為的是為手抄本增值。研究人員原本束手無策，後來是在史丹福大學的直線加速器工作的物理學家柏爾格曼(Uwe Bergmann)發現，在抄寫阿基米德原文使用的「墨水」中，含有鐵的粒子，柏爾格曼使用粒子加速器發出的X光，可以拿來偵測出墨水中少量的鐵質。通過電子在圓形加速器中加速到近光速所釋出的Ｘ光照射，可以使墨水中的鐵分子發出螢光從而顯現出來，這樣也就會露出原來的字跡。有少數的頁數中，宗教畫的顏料也含有相當多的鐵。所幸科學家發覺古代墨水有鈣的成分，所以可以從鈣的X光螢光來判讀。幸虧X光螢光的技術，阿基米德的原稿才能重見天日。有興趣的讀者不妨參考這篇Bergmann, Archimedes brought to light, Physics World, 20, No 11, pages 39-42, (November 2007)

當阿基米德遺稿中的內容被復原出一部分後，科學家們被遺稿內容驚得目瞪口呆。令科學家們難以置信的是，阿基米德在一篇名叫《機械定理方法》的文章中，竟然頗費筆墨地闡述了現代微積分學理論的精粹！顯然阿基米德當時對這一領域已有了至關緊要的發現。另外，復原的內容還包括了阿基米德的《浮體原理》的理論，裡面講述的就是著名的浮力原理。現在整本羊皮書的影像都已公開上網，供科學史的學者來研究。

怎麼樣，沒想到吧。聽起來高深莫測的量子技術，居然有這麼多妙用。接下來我們專欄還會持續介紹各式各樣的量子技術，請持續鎖定「量子足跡何處尋」，一定讓您大吃一驚!

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