16论文物保护学的理论模型遗产保护理论
论文物保护学的理论模型
龚德才
安徽合肥徐津津230026）（中国科学技术大学科技史与科技考古系文物保护科学基础研究中心
内容提要：文物保护学作为一门科学，分为理论和应用等多个层次，需要有反映客观事物固有规律的系统化的知识体系。目前，行业关于文物保护学自身的基本学科理论的探讨不多，因此，可尝试以数学模型来建立文物保护学的理论模型。抽象概括出的理论模型用数学的语言进行描述就是一个四维空间的状态函数。该方程可以描述文物的状态随时间和空间的变化规律，目前的许多方法与手段均可纳入该理论模型体系之中。该理论模型的建立将为整个学科的健康成长搭建一个基础稳固的平台，切实指导文物保护学的研究工作。
关键词：文物保护学理论模型状态函数
文献标识码：Ａ中图分类号：G112；K854
百年前，由于现代科学技术的引入，文物保
护从此步入了科学运行的轨道。近三十年来，作
为交叉学科的文物保护学，在理论与实践结合下
蓬勃发展，并且越来越受到学术界的关注。
文物保存环境研究、文物修复技术研究等［1］，目前
各研究方向均产生了累累硕果，积累了大量的数
据和实践经验。但是，随着研究工作的进一步开
展，本行业暴露的问题也愈发引人深思：文物的
劣化机理等基础理论研究较少且缺乏深度；文物
保护工程技术的评价体系尚不完善；技术方法上
套用物理、化学、生物等学科理论，却未充分考虑
到文物的特殊属性；采用不同行业的方法研究文
物保护领域问题导致学术用语模糊不清，降低了
行业内部的沟通效率……而上述问题的关键在
于文物保护学科基础理论的薄弱，因此，如何采
取有效措施加强文物保护学科基础理论的研究尤为重要。
一文物保护学理论模型建立的必要性
文物保护学的发展可以说是站在物理、化学、生物这些“巨人”的肩膀上，而这些自然科学
的方法、规律必然适用于所有物质包括文物本
收稿日期
作者简介2014-11-05体，因此在学科建设方面借鉴这些基础学科的发展经验十分必要。纵观自然科学的发展历史，构建物理、化学等学科大厦的基石均离不开经典的理论模型，例如物理学中的质点、理想气体、黑体模型，生物学中的细胞模型等。这些科学模型是系统或过程的简化、抽象或类比，可以帮助人们认识和理解一些不能直接观察到的事物，成为推动学科发展的动力。英国著名现代科学哲学家玛丽・赫斯（MaryHesse）认为：“现代科学的研究对象不仅难以直接控制，而且看不见摸不着，远离日常经验而抽象［2］化，所以思想模型与数学模型日益重要。”美国文物保护学的内容包括文物材料性质研究、模型，化学中的原子结构模型、晶胞模型、化学键著名科学史学者托马斯・库恩（ThomasSamuelKuhn）在《科学革命的结构》中提到：“模型的类型尽管从启发式的到本体论的多种多样，却都具有类似的功能，例如，它们供给研究团体以偏爱的或允许的类比和比喻，从而有助于决定什么能被接受为一个解释和一个谜题的解答；反过来，它们也有助于决定未解决谜题的清单并评估其中［3］每个的重要性。”有人指出：“在当代，科学模型作为一种重要的科学工具，其意义已经获得普遍龚德才（1960-），男，中国科学技术大学科技史与科技考古系教授、博士生导师，主要研究方向：文物保护。
《东南文化》2015年第1期总第243期17公认，是否建立起完善的科学模型被普遍认为是
一门学科是否具有科学性、是否成熟的重要标
［4］志。”还有人认为，“模型方法已成为现代科学的
［5］核心方法”。为文物的数学模型的建立提供了可能。考虑到时间维度后，用数学语言抽象概括出的文物理论模型则是一个四维空间的状态函数。（二）文物数学模型的假设
在确立函数关系之前，首先有以下几条假
设：
（1）文物可看成具有物质性质的质点在空间
分布组合而成；
（2）某一时刻文物的状态可通过该时刻质点
的空间分布（运动）状态来表示；
（3）文物信息是蕴含在文物状态之中的。
（三）数学模型的构建
在假设的基础上定义状态函数（fj，t）
。在文物保护学中，每件文物的状态具有复杂性和多样性，但是拨开个体差异的迷雾去寻找文物内在的联系和规律，将文物的共性汇集升华，可以得到文物保护学的理论模型。这样的科学模型无疑可以指导研究，引导开辟文物保护学的新天地。从文物保护学的角度来看，文物有两大属性：一是客观世界的物质实体属性——文物是物质的，在历史发展的过程中遵循自然科学的普遍
规律而发生各种变化；二是承载人文历史信息的
属性——人文历史信息体现了文物的价值，这一
属性决定了文物与一般物质实体有所不同，主要
区别在于文物经历了漫长的岁月，其物质本体及
人文历史信息均发生了各种变化。本文所提出的
理论模型必须对此有所体现和解释。
二文物保护学的数学模型
（一）文物与数学模型
数学模型将现实问题归结为相应的数学问
题，为解决现实问题提供精确的数据或可靠的指
导。伽利略（GalileoGalilei）在《黄金的检验者》一
书中提到：“如果没有掌握自然界的数学语言，自
［6］然界这本大书就不可能理解。”达芬奇（Leonar⁃式中，x，y，z代表文物的质点在空间中的坐标；t代表文物存在的某一时间点；i代表文物本体中的不同物相成分，i=1，2，3···n；j是与i有关的变量，j=1，2，3···n。（）是定义的示性函数，可以ij表达物质的性质，当变量j与物相成分i相同时示性函数值为1，当变量j与物相成分i不同时函数值为0。f（y，z，t）・（）是任一时刻某物相组成ix，ij的三维表示。（fj，t）即可表达任一时刻t时文物的状态。假设文物A，在它诞生的那一刻即它的始态
时文物本体有三种物相组成，即i的取值为1，2，
3，所对应的物相分别为a，b，c。对于（），当i=1时，只有当j=1，（）=1，f1ij1jdodaVinci）亦说过：“人类的任何探讨，如果不是通过数学的证明进行的，就不能说是真正的科
［7］学。”数学模型对科学研究的重要性可见一斑，
那么数学模型是否能满足文物保护学的理论模（x，y，z，t）・（）则表示所有物相为a的质点的三1j型的需求？维组合，形象描述就是上文所说只拍物相a的照
一件文物，以青铜器为例，从它在古代工匠相机得到的文物状态；当i=2时，只有当j=2，手中诞生那一刻起，到现在看到的状态，历经数（j）=1，f（y，z，t）・（）则表示所有物相为b的质2x，2j千年。假设有一架照相机对这段时间进行实时无点的三维组合……那么，始态即t=t0时，文物的状间断的拍摄，就可以捕捉到文物每一时刻的状
态。如果是许多架照相机在同时拍摄，而每一架
相机拍摄的都只是文物的某一种组分，例如A照
相机只拍青铜器铜锡合金中α相的点，B照相机只
拍青铜器铜锡合金中ε相的点，C照相机只拍青铜
器铜锡合金中（α+δ）共析组织相的点……那么这
许多架照相机的图像组合叠加后所形成的状态
才是文物整体的状态。即在三维空间里，构成文
物的所有组分在任一时刻有唯一确定的位置（空z，t0）・（）+f（y，z，t0）・（）。2j3x，3j1态可以表示成（fj，t0）=f（y，z，t0）・（）+f（y，1x，1j2x，随着时间的推移，文物在外界环境的影响下自身成分发生改变。对于文物A，物相a，b，c的三维表示发生改变，新的物相d，e，f等占据了原有物相的位置或扩展到新的位置，宏观表示为文物的外貌色泽、质量等的变化。在t=t1时，文物的状2态变化为（fj，t1）=f（y，z，t1）・（）+f（y，z，t1）
・1x，1j2x，（j）+f3（x，y，z，t1）・3（j）+f4（x，y，z，t1）・4间坐标），空间中的任一位置不可能同时被两种（j）+···+f（y，z，t1）・（）。针对文物A中的物nx，nj
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表一//文物转变过程的模型表示
时间
t0
t1
t2
t3
t4f(j,t0)=f1(x,y,z,t0)・1(j)f(j,t1)=f1(x,y,z,t1)・1(j)+f2(x,y,z,t1)・2(j)f(j,t2)=f1(x,y,z,t2)・1(j)+f2(x,y,z,t2)・2(j)+f3(x,y,z,t2)・3(j)f(j,t3)=f1(x,y,z,t3)・1(j)+f2(x,y,z,t3)・2(j)+f3(x,y,z,t3)・3(j)+f4(x,y,z,t3)・4(j)f(j,t4)=f1(x,y,z,t4)・1(j)+f2(x,y,z,t4)・2(j)+f3(x,y,z,t4・3(j)+f4(x,y,z,t4・4(j)+f5(x,y,z,t4)・5(j)模型表示
表二//常见文物本体的变化编号变化举例模型表示
设当i=1时是Me，当i=2时是Me的氧化产物
反应前：f(j,t0)=f1(x,y,z,t0)・1(j)有新物质产生
反应后：f(j,t1)=f1(x,y,z,t1)・1(j)+f2(x,y,z,t1)・2(j)
设当i=1时是L型氨基酸，当i=2时D型氨基酸
2外消旋化氨基酸外消旋化测年转化前：f(j,t0)=f1(x,y,z,t0)・1(j)+f2(x,y,z,t0)・2(j)转化后：f(j,t1)=f1(x,y,z,t1)・1(j)+f2(x,y,z,t1)・2(j)
壁画地仗层可溶盐的重
结晶设当i=1时是可溶盐转化前：f(j,t0)=f1(x,y,z,t0)・1(j)转化后：f(j,t1)=f1(x,y,z,t1)・1(j)
设当i=1时是材料本体
丝绸的玻璃化转变
转变转化前：f(j,t0)=f1(x,y,z,t0)・1(j)转化后：f(j,t1)=f1(x,y,z,t1)・1(j)
设当i=1时是文物材料本体
5相变文物中的水的三态变化转化前：f(j,t0)=f1(x,y,z,t0)・1(j)转化后：f(j,t1)=f1(x,y,z,t1)・1(j)
温度引起的文物材质的
热胀冷缩设当i=1时是文物材料本体转化前：f(j,t0)=f1(x,y,z,t0)・1(j)转化后：f(j,t1)=f1(x,y,z,t1)・1(j)
设当i=1时是文物材料本体，当i=2时是尘埃
7吸附文物上污染物的吸附转化前：f(j,t0)=f1(x,y,z,t0)・1(j)+f2(x,y,z,t0)・2(j)转化后：f(j,t1)=f1(x,y,z,t1)・1(j)+f2(x,y,z,t1)・2(j)
微生物在文物上附着腐
蚀设当i=1时是文物材料本体，当i=2时是微生物及其腐蚀产物转化前：f(j,t0)=f1(x,y,z,t0)・1(j)+f2(x,y,z,t0)・2(j)转化后：f(j,t1)=f1(x,y,z,t1)・1(j)+f2(x,y,z,t1)・2(j)有新物质产生有新物质附加无新物质产生无新物质产生无新物质产生无新物质产生有新物质产生备注1化学反应金属文物腐蚀，一般涉及氧化反应：Me→Men++ne-3结晶4玻璃化6形变8生物侵蚀
《东南文化》2015年第1期总第243期19（x，y，z，t1）・（），两者相减得到t0-t1这段时间物1j相a空间分布的改变量。
假设文物B原始状态只有一种物相a（此时i=
1），随着时间的推移，文物B会发生老化等，因此物相14C和12C，从数学模型中截取到这部分，此时i可以取1，2，分别对应14C和12C。该状态可以表达为（fj，t）=f（y，z，t）・（）+f（y，z，t）・（）。当1x，1j2x，2jt=t0时，（fj，t0）=f（y，z，t0）・（）+f（y，z，t0）・1x，1j2x，2其物相组分会发生相应的变化。假设当i=2，3，4，5（j），此时f（y，z，t0）・（）表示的是t=t0时14C在1x，1j时，文物B所对应的物相分别是b，c，d，e，分别代
历史修复的材料。那么，当t=t0时为文物始态，当表了物相a的老化产物、后期的污染物、残留物、然界中的14C保持一致。当t=t1时，（fj，t1）=f（y，z，1x，t=t1，t2，t3，t4时分别代表文物B开始出现老化产物、（j）表示的是t=t1时14C在整个样品中的三维分布，污染物、残留物和历史修复材料。整个过程的文
物状态如表一所示。
该方程可以描述文物状态随时间和空间的
变化规律。文物质点的理化特征与文物的状态息
息相关，而文物的信息由文物的状态来反映。通
过该函数能得到系统化的文物状态变化规律。方
程可以对变量t进行微分，得到的是每个物相组成
状态的变化速率。对函数f（y，z，t）求和可以得到ix，任一物相的含量，即
i=1时，。当
是物相a的含量。14其平均浓度为A1。在t0-t1期间，C发生了衰变反14整个样品中的三维分布，其平均浓度为A0，与自t1）・（）+f（y，z，t1）・（），此时f（y，z，t1）・1j2x，2j1x，1应，f（y，z，t1）・（）相比于f（y，z，t0）・（），1x，1j1x，1j据的质点总量在减少，反映在可以测算的数据上12即其平均浓度A1＜A0。C的物相总量在此衰变过C的物相的总量减少，即在三维空间中14C所占程中虽未有明显改变，但其浓度与14C的浓度的比是可解的，根据At=A0e-λt，能够确立t=t0与t=t1时的值增大。此时，（fj，t）的分函数f（y，z，t1）・（）1x，1j文物状态，并且满足函数关系，因此可以求解该
函数关系得到t1，即可得出14C年龄。因此，状态函数能很好地解释碳14测年法中14C的衰变过程，并且说明文物的状态函数在解决特定问题时的本文定义的状态函数不仅适用于文物，理论上适用于宇宙间任何物质实体。所不同的是，文
物存在的时间一般来说较为漫长，短则数百年，可解性。
氨基酸外消旋测年亦是如此。采用适当的方长则数千年甚至上万年。在漫长的时间里文物本
体发生了各种变化，本文提出的状态函数中的时
间t充分地体现了这一点。
（四）文物本体变化的数学模型表达举例
文物本体及其状态会随着时间的推移发生
各种各样的变化，表二是对文物变化的归纳举
例。
三文物保护学理论模型的应用
在实际研究中，文物保护学的理论模型已经
在文物保护与科技考古领域中得到了广泛的应
用。
目前考古测年中广泛应用的碳14测年法就
是应用衰变规律的模型。碳14测年法是利用宇宙
射线产生的放射性同位素14C来测定含碳物质年14龄的方法。衰变反应为14C→14N+β，C的半衰期为法将左右旋结构的氨基酸分离，再结合各种左旋结构氨基酸所具有的各自向右旋结构转变的半衰期以及氨基酸左右旋结构体的比例，推算出动物死亡的年代，进而达到测年的目的。还有黑曜岩水合法断代，用公式表达为D2=Kt，这均是文物模型在解决特定问题时可解的证明。在文物考古中发展迅速的三维扫描技术可以在不损伤文物的情况下得到文物完整的三维信息，并且所得信息能够脱离文物物质本体永久保存，对文物的科学保护起到有效的辅助作用。针对修复破碎文物的特殊要求，采用物体的三维模型表示可以最大限度地保留破碎文物的边缘信息。三维扫描系统使用光栅条纹投射在文物表
面，在边扫描边移动中获取每一点的数据，最后
形成图像。它能够有效地将文物表面的几何信息
转化为扫描系统中的三维坐标点，实际上也是对
本模型的诠释。
青铜器在埋藏、发掘和典藏过程中，其腐蚀
速率有一定的规律。通过状态函数，可以精确了
解青铜器腐蚀的速率。在探讨青铜器不同的腐蚀
类型时，从优先被腐蚀的相以及向表面迁移的离
5730±40年，其测年表达式为At=A0e-λt，该方程的体内14C浓度，A0为初始状态体内14C浓度，λ为衰［8］变常数。解t=-1/λln（At/A0）。式中At为衰变了t时刻时生物针对某一碳14测年样品，假设其为某古人类化石样品，其死亡埋葬的时间为t0，被考古人员发现并采用碳14测年的时间为t1。该样品满足上文
20论文物保护学的理论模型的研究，并且可以通过不同状态的对比揭示保存够系统全面，最终对于文物信息的获取亦不完环境的差异。另外，研究备受关注的“纯铜晶粒”整，缺乏一定的标准和规范。在全面精准的理论现象时，其可能的形成机理可用函数关系表示，模型的指导下，研究人员就可以按照顺序无遗漏并根据其空间分布关系在进一步探究后得到合
理的推论。
对古代书法或绘画作品进行鉴定时，可将书
法或绘画看成是在三维空间中由粒子分布组合
而成，这些粒子分布与作者的意识相关，呈现规
折、钩、挑”八个基本笔画组成，在书写实践中每
个基本笔画呈现出不同的样态，基本笔画的组合
体也表现出不同形式［9］。根据该书法家的若干作
品样本，对其特征用统计学的方法进行统计分
类，就可以得到书法家属于自己的书写字迹规
律。以最简单情况为例，一幅书法作品用状态函
（），令当i=1时，物相为墨，当i=2时，物相是书2j地采集文物信息，使认知文物的过程标准化，加快文物保护技术走向文物保护科学的进程。第三，文物保护学的发展一直与物理、化学等基础学科的发展息息相关，但这些学科的成果应用于文物保护学时有一定的滞后性，同时文物应用。例如材料学中很少考虑到保护材料的可再处理性的问题，而在文物保护中则必须慎重考虑，保护材料的老化可能给文物带来灾难性的后果；再如文物样品的珍贵性决定了分析方法最好无损或微损，而其他行业一般不需要考虑此类问题；文物样品复杂且取样量小，仪器分析得到的要走得更远、更快，就需要从文物自身出发，建立律性的分布走向。汉字符号由“点、横、竖、撇、捺、的特殊属性也限制了某些成果在文物保护中的数表示为（fj，t0）=f（y，z，t0）・（）+f（y，z，t0）・信号较弱，难以得到精确的结果。文物保护学想1x，1j2x，写材料纸张。利用计算机对墨迹的直观特征（例文物保护理论，研发新的技术方法，而不是只做
那些老牌学科的追随者。本文模型是构建在系统
全面地了解文物本体共性的基础之上，这使得创
新和突破成为可能。
作为一门科学，文物保护学并不是对现有技
术的简单应用，而是分为理论和应用等多个层
次，要有反映客观物质固有规律的系统化知识体
系。目前，尚缺乏对文物保护学基础理论的探讨，
因此建立文物保护学理论体系还有很长的路要
走。本文提出的文物保护学的理论模型只是一个
初步的设想，该模型还需进一步的细化、完善与
提升。笔者希望借此抛砖引玉，引起文物保护学
者广泛的探讨和研究。文物保护学基础理论的发
才能让祖先遗留下来的灿烂辉煌的文化遗产在如布局特征、全局特征、字符结构等）提取转折角度、用墨厚薄等量化参数，将多幅作品的量化参数与上述状态函数相结合，进行计算机算法研究，统计得到该书法家书写的标准特征，得到的这一标准即可体现该状态函数的可解性。拿到一件作品时，用计算机再次测量相关参数，并将参数带入该书法家的书法作品状态函数，之后将其函数值与前述标准值对比，即可鉴定其真伪，该方法充分反映出状态函数的作用。四文物保护学理论模型的意义文物保护学理论模型的建立对整个学科之发展有重要的促进作用：为整个学科的健康成长搭建了一个基础稳固的
化学、物理学、地质学等自然科学和考古学、历史
学等人文科学均在文物保护学这个交叉学科上
得到广泛应用，但文物保护学绝不仅仅是这些学
科的叠加应用，理论模型的建立提供了一个多学
科融合发展的平台，能够用文物保护学独特的逻
辑语言去统筹理论与实践。
第二，文物保护学理论模型的价值不仅在于
导向作用，还能切实指导文物保护学的研究工
作。在具体的文物保护工作中，研究人员从文物
的保存状态出发，很自然地想到了清洗、加固、封
护、防霉等处理过程，并且应用自然科学的方法
第一，它是学科基础理论的重要组成部分，展，需要文物保护科技工作者们共同努力，这样平台，从而有助于文物保护学研究共识的达成。严谨的科学保护下熠熠生辉。［1］郭宏：《论文物保护科学研究的内容与方法》，《文物保护与考古科学》2003年第3期。［2］罗慧生：《玛利・赫斯的科学哲学理论》，《自然辩证法通讯》1987年第2期。［3］〔美〕库恩著，金吾伦、胡新和译：《科学革命的结构》，北京大学出版社2003年。［4］安军：《家族相似：科学类比与科学模型的隐喻思维特征》，《科学技术哲学研究》2009年第4期。［5］孙小礼：《模型——现代科学的核心方法》，《哲学研究》1993年第2期。
《东南文化》2015年第1期总第243期21
《青海师范大学学报（哲学社会科学版）》1996年第2
期。
［7］〔英〕查尔斯・尼科尔著、朱振武译：《达・芬奇传——放
飞的心灵》，长江文艺出版社2006年。［8］赵丛苍：《科技考古学概论》，高等教育出版社2006年。［9］唐瑞成、吴杰：《论笔迹鉴定的发展趋势》，《云南警官学院学报》2007年第3期。
（责任编辑、校对：王霞）ATheoreticalModeloftheStudyofCulturalRelicsConservation
(BasicResearchCenterforConservation,DepartmentofHistoryofScienceandScientificArchaeology,Abstract:Culturalrelicsconservationstudyasadisciplinehasitsowntheoriesandpractices,whichre⁃quiresaknowledgesystemtoreflectitinherentlaws.Fewdiscussionsonthetheoriesofheritageconserva⁃tionhavebeenconducted.Thearticleaimstobuildatheoreticalmodelbymathematicapproach,whichisafour-dimensionalstatefunction.Theequationdescribesthestateoftherelicswiththechangeoftimeandtablishmentofthistheoreticalmodelwillprovideasolidbaseforthedevelopmentofthisdisciplineandbringconservationresearchpracticalguidance.Keywords:theoriesofculturalrelicsconservation;theoreticalmodels;statefunctionsGONGDe-caiXUJin-jinUniversityofScienceandTechnologyofChina,Hefei,Anhui,230026）space,whichcanincorporatemanymethodsandapproachesofconservationthatarecurrentlyinuse.Thees⁃