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.原載於數學傳播第七卷第三期 .作者當時任教於交大應數系 •註釋 | |||
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偽畫鑑定
微分方程的應用 林朝枝 |
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二次世界大戰後期,盟軍收復比利時之後,荷蘭治安人員開始通緝納粹同路人。 在一家曾經出售許多藝術品給德國人的公司記錄上, 他們發現一位銀行家的名字,他曾是將著名的十七世紀荷蘭畫家 JAN Vermeer 的油畫: "Woman Taken in Adultery" 出售給納粹頭目戈林的中間人。 由銀行家口中得知他是代表一個三流荷蘭畫家 H.A. VAN Meegeren。 1945年5月29日 VAN Meegeren 被控通敵罪名而被捕入獄。 1945年7月12日 VAN Meegeren 在獄中傳出一個震驚世人的話, 聲稱他不曾對 "Woman Taken in Alultery" 賣給戈林。同時, 他說這幅畫和另一幅美麗的畫:"Disciples at Emmaus", 還有其他兩幅被認為是 Vermeers 的作品以及兩幅 de Hooghs(十七世紀荷蘭畫家)的畫都是他自己所偽造的。 然而許多人卻認為 VAN Meegeren 說出這類謊言,目的只在於免除他的叛國罪名。 為了證實他的話,VAN Meegeren 在獄中開始偽造 Vermeer 的畫:"Jesus Amongst the Doctors",顯示給那些不相信他的人,他確是 Vermeer 畫的偽造高手。 當這幅畫接近完成的時候,VAN Meegeren 得知他通敵的罪名已改為偽造罪名, 於是他拒絕完成這幅畫和將畫變成古老的樣子,希望調查行動不致發現其將畫變古的秘密。為了解決這個問題,有著名化學家、物理學家和藝術史家受命組成國際專案小組, 來調查這個秘密。小組用X-光透視畫件以決定這些偽畫是否畫在其他的畫之上。 另一方面,他們分析畫上所用的顏料和畫的某些舊年代的跡象。 然而 VAN Meegeren 對於這些鑑定方法知悉頗詳,為了避免被發現, 他將不值錢的古畫的顏料括去,僅只保留畫布,而嘗試使用 Vermeer 可能會用的顏料。 VAN Meegeren 也熟知舊的油彩非常地硬,同時也無法溶解它。因此, 他很狡猾地將一種化學物:'Pheno formaldehyde 混入油彩�堙A然後當完成的油畫在烤箱中加熱時,油畫就會硬化,因而他人不易知道那是偽畫了。 然而 VAN Meegeren 在他的幾幅偽畫中有所疏忽。專家所組成的鑑定小組發現了一種現代顏料鈷藍的蹤跡。 另外,他們在數幅畫中也發現了 Phenoformaldehyde,這種化學物直到十九世紀初才被發現。基於這些證據,VAN Meegeren 於1947年10月12日被判了偽造名畫的罪,入獄一年。 在獄期間,他的心臟病發作,於1947年12月30日去世。 但是,即使在專家們搜集了證據,仍有許多人拒絕相信名畫:"Disciples at Emmaus 是 VAN Meegeren 所偽造的,他們的想法是基於其他的膺品和 VAN Meegeren 近乎完成的"Jesus Amongst the Doctors" 都是相當低俗的品質。他們認為美麗的 "Disciples at Emmaus" 的創作者絕對不會畫出如此拙劣的畫的。事實上,"Disciples at Emmaus" 曾被著名藝術史家 A.Bredius 鑑定為 Vermeer 的真蹟,而被 Rembrandt Society 以 $170,000 的高價購得。鑑定小組對這些持懷疑態度的人的答覆是 VAN Meegeren 對於他在藝術界毫無地位深感失望, 他在畫 "Disciples at Emmaus" 時,欲以無比的決心來證明自己實在不是三流的畫家。 在完成這幅傑作之後,他的意志力就消失了,同時,在體認了他能輕易地完成了 "Disciples at Emmaus",他不再那麼認真地從事其他的偽畫了。這種說法卻不令持懷疑論者滿意,他們要求能提出一種全然科學化和結論性的證據,以證實 "Disciples at Emmaus" 確實是一幅偽畫。1967年美國 Carnegie Mellon 大學的科學家們進行了這項研究,以下就是他們工作的概略描述。
利用放射性的現象來鑑定畫和其他物質──諸如石頭和化石的年代等──的方法是本世紀初所發現的。物理學家 Rutherford 和他的同事們證實了某些放射性的元素之原子結構不穩定,在一個既定的時期之內,固定比例的原子會發生蛻變而形成另一種新元素,由於放射性是原子的一種性質,Rutherford 證實一種物質的蛻變率
註1
與該物質目前的原子個數直接成比例。
因此,設若 N(t) 表示某物質在 t 時間的原子數,則單位時間內發生蛻變的原子數 dN(t)/dt 與 N(t) 成正比。
即:
其中 λ 為一個常數, (1)的解是
可推得 兩邊取對數函數,則 當 則 因此 也就是說物質的半衰期為
由(2)式可得
因 N(t) 可以測量出來,λ 為已知數或是很容易計算出來,故當N0知道時, 我們就能得到 t0 來。事實上 N0 的決定就是難處。 因為我們不能知曉某種放射性物質在 t0 時的原子數有多少?不過,我們還是可以間接地決定N0之值, (或者估計 N0 之值。)使它在某個可信賴的範圍內。 估計 N0 之值即為我們用來鑑定膺品的方法。我們將在底下概略的解釋這種方法。 地球的地殼中含有鈾的成分,在岩石塊內的鈾會蛻變成其他的放射性元素, 然後再經過一連串的蛻變,一直到Pb-206為止,到此它已不含任何的放射性元素了。 下表說明U-238的一系列蛻變情形。箭頭上方的數字即為半衰期。
因為鈾-238的半衰期很長,它不會很快消失,當然也會一直的蛻變下去。 因此表�堛漱介〝餺g性元素,一方面會蛻變成其後面的元素而減少, 但一方面也會因前面元素的蛻變下來而增加。 所有畫家所使用的顏料都含有多量放射性元素的鉛-210,同時也含有更少量的鐳-226。 因為上述兩種元素含在鉛白內,而鉛白被畫家用做顏料已經有兩千多年的歷史了。 鉛白由金屬鉛所製成,而金屬鉛則由鉛礦用熔煉方法提煉出來,在這種提煉過程中, 鉛-210會隨著留在提煉後的金屬鉛內,然而百分之九十到九十五的鐳-226會在提煉過程中留在熔渣內而被排除掉。 在剛做成鉛白時,因為鐳-226之半衰期為一千六百年,所以蛻變成鉛-210的放射性元素算是很少。 但是,由於鉛-210的半衰期為二十二年,因此鉛-210就會蛻變的比較快,而減少了很多鉛-210的原子個數。 這種現象會一直下去,直到平衡點。也就是由鐳-226蛻變成鉛-210的原子數目, 相等於由鉛-210蛻變成另一種元素的原子數目。又因為從鐳-226蛻變成鉛-210之間那些放射性元素的半衰期與一千六百年互相比較之下, 實在太小。若忽略了它們,則我們也可以說鉛-210與鐳-226的蛻變相等時就是所謂的平衡點。
我們用上述的結論,來估計出在最初製造金屬鉛時,鉛-210的含量有多少?
令 y(t) 表示在 t 時間每公克的鉛白所含鉛-210的原子數目,y0 則是在製造鉛白時 (t0),每公克鉛白所含鉛-210的原子數目。也令 r(t) 為 t 時,鉛白中的鐳-226每分鐘每公克蛻變的原子數目。
λ 為鉛-210的蛻變常數,則我們可以得到下列的微分方程式:
這個方程式在 r(t) 不是常數時,求出來的解比較不易說明其結論。 我們可以做如下的簡化:因為我們的目的在鑑定一張畫的真偽程度,而這些畫的歷史大都在三百年的時間內。 同時鐳-226的半衰期則有一千六百年,含在鉛白內的鐳-226又非常少。 所以為了方便,我們不妨假定 r(t) 為一個常數 r。我們來解微分方程式(4)。 兩邊乘上其積分因子 所以 或者 y(t) 與 r 很容易可以測定出來。故若 y0 知道,由(5)式, (t-t0) 就可以求得,畫的年代由此就知曉了。惟前面已經敘述過 y0 不能直接求得。克服這個困難的方法之一是:由於地球的年代已經非常久遠,所以我們可以想像在鉛礦中,鉛-210與鐳-226的蛻變情況已達平衡狀態,即它倆的蛻變速率一樣。 當我們抽取地球上的不同礦石來測定鐳-226的蛻變情形。發現鐳-226在不同礦石中每公克每分鐘的蛻變速率是在0.18到140之間。 所以推得鉛-210在鉛白內每公克每分鐘的蛻變情形也大致是在這範圍之間。 由於這個範圍太大, 因此歸納出來的 y0 數目也可能會在一段很大的範圍內(因為鉛-210的蛻變速率與其原子數目成正比。);即鉛-210的原子數目 y0 會有很大的變化。所以不能用這種方法來估計 y0 之值。 但是,我們還是可用(5)式來鑑別出十七世紀的畫與近代的仿製品。若一張畫的年代遠比二十二年(鉛-210的半衰期)還久的話, 那麼,鐳-226與鉛-210就幾乎已達平衡點了。反過來說,若是一幅近幾年內的仿製品, 比方說是20年的膺品,那麼鉛-210的放射性就要比鐳-226的放射性強得多。 讓我們假設某幅欲被鑑定的畫,其年代是否在300年?令 t-t0=300,由(5)式, 我們得到: 若這幅畫是近幾年來的仿製品,則
因為在幾年後,鉛-210與鉑-210的蛻變情形很快會達到平衡狀態,
而且以目前已有的計量方式來說,對鉑-210的測定比較容易。所以我們就用鉑-210來代替鉛-210。
又鉛-210的半衰期為22年。故
下面的表是鉑-210與鐳-226在幾幅畫上的蛻變情形:
若把 "Disciples at Emmaus" 這張畫的8.5代入(6)式中的 所得到的數目大於 3 x 104 太多,故可以斷定它為一幅假畫。 其他幾幅畫的
由此可見前面的三幅畫也該是膺品。至於後面的兩張畫是真品的可靠性就相當高了。
M. Braun: Differential equations with applications.
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| 編輯:石莉君 / 校對:楊佳芳 / 繪圖:簡立欣 | 最後修改日期:4/26/2002 |