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随着考古学的发展,科技手段越来越受到重视.高新科技手段的应用和信息提炼,有时对考古学重建历史发挥着举足轻重的作用.但是,对科技手段的运用以及对科技考古学的地位在我国学界及考古圈内仍然存在不同看法.有学者仍然强调考古学的纯净性,认为这门学科的基本方法应该是地层学和类型学,用自然科学手段研究考古材料不能算考古.而一些长期从事考古科技研究的学者认为,科技考古可以被视为考古学的一个分支,一个全新的科技考古学已初具轮廓(1).在此,我们还需厘清一个概念问题.在欧美,考古科技(archaeological science)和科技或科学考古学(scientific archaeology)是有所不同的.考古科技是指利用那些与考古学无关的科研机构承担一些考古分析工作.当然,现在许多大学和博物馆都建立起自己的实验室,利用相同的科技方法从事考古分析.而科技或科学考古学则是指用科学的实证方法探究考古现象的潜因,采用严谨的科学程序和精密技术手段来予以分析和检验.对于研究的问题,考古学家和科技专家在感兴趣的问题或探索视野上可能并不相同(2).因此,就目前我国的科技考古而言,实际上仍是处于考古科技的层面,考古学家和科技专家在理论导向和研究目标上有时未必一致,真正的跨学科研究还任重而道远.
2009年10月,由中国科学院上海光学精密机械研究所干福熹院士发起,在中国科学院上海分院交叉学科研究中心召开了题为“科技与考古――自然科学与人文科学的交叉和融合”的研讨会.来自国家文物局、中国科学技术大学、中国科学院研究生院、复旦大学、北京科技大学、中国社会科学院考古研究所、上海社科院历史研究所、上海博物馆,中科院上海光学精密机械研究所、上海硅酸盐研究所、自然科学史研究所、兰州化学物理研究所,敦煌研究院等单位的30余名著名专家和学者参加了研讨会.与会学者在回顾了中国科技考古的骄人成绩外,还谈到了科技考古所面临的困扰.主要包括科技考古没有“名分”,研究人员面临申请科研项目和经费的巨大困难,也不能作为一个专业招收合格的研究生,没有项目、样品、经费和人才支撑的科技考古工作处处举步维艰(3).
科技考古涉及到多学科交叉,这自然会涉及到研究项目申请时学科定位的尴尬问题.而且学科交叉所参与的学者本身专业背景不同,关注的问题也会存在差异.以往,当考古学者有求于自然科学工作者时,科技人员往往作为陪衬或辅助人员参与考古项目,比如年代测定或环境研究.而其成果也常常被作为研究报告的附录以供参考.而对考古学感兴趣的科技工作者所关注的问题,未必受到考古学者的同等关注甚至获得业内的认同.结果,科技手段可能并未能够恰到好处地用到解决考古学的重大问题上.
中国科技考古面临的一个迫切问题是,如何像当代欧美考古学那样,像过去的类型学和地层学方法那样,将各种科技手段作为常态或规范研究程序来解决各种科学问题.这样科技考古不再是考古学的一个分支,而是成了考古学的规范程序.考古学的成长本身就是一个不断吸纳社会和自然科学领域中各种理论和方法的过程,而科技手段的发展和提高与这门学科发展息息相关.这首先需要考古学家有明确的问题意识,而科技工作者也要了解考古学探索的方向和难题所在.如果两者对对方的想法了然于胸,并对考古学探索目标能够达成共识,这就能拧成一股力量来推动科技考古研究的进展.今后的发展方向应该是培养各种跨学科的复合型考古人才,不必再像现在,考古与科技仍是两张皮,考古学家只考虑器物和年代,让科技专家做些辅助性的检测工作,这样的合作难免貌合神离.
本文想对科学技术融入考古学的历史过程作个约略的回顾,并对科技考古学在中国的发展提供一些初步的看法.科技考古并非是用拿来主义,将考古学与自然科学手段简单撮合的问题,它还涉及理论和方法论的指导和设计.对这些问题的了解,有助于我们更好地将科技考古常态性地融入所有分析研究之中,使得科技考古最终成为考古研究的主流.
历史回顾
考古学与其他自然科学一样是西学东渐的产物,这门学科最早是在西欧确立的.考古学是从古物学脱胎而来,其形成过程受地质学和生物学的影响很大.地质学的均变论为生物进化论的产生奠定了基础,而进化论的普及才能使考古学这门学科突破六千年的圣经纪年,进而探究人类漫长的史前史.为了探究没有文字记载的史前史,地层学和类型学便成了确定人类文化遗存年代的主要手段.汤姆森的三期论首先确立了一种不求助于文献的独立断代方法,成为考古学与古物学的分水岭.
在考古学发展的初期,困惑学者们的主要问题是考古遗存的年代.因为不知道遗址和出土文物的年代或它们孰早孰晚,考古学的历史研究也就无从谈起.于是,在绝对年代测定出现之前,考古探究的主要精力大多集中在年代学问题上.而解决的办法采取了两条路径,首先就是汤姆森根据器物的材质和生产技术的发展前后,确立了石、铜、铁的前后发展阶段.而后,汤姆森又根据器物的形制或风格,将青铜时代的石器以及将铁器时代的青铜器和石器区分开来.其次,就是借用地质学中的层位学方法,确定物质遗存埋藏时间的早晚.
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在放射性碳技术出现之前,欧美的类型学发明了器物排列方法(seriation)来为遗址和墓葬相对时代排序,同时采用交叉断代的方法,将没有文献的欧洲史前阶段与有历史纪年的埃及编年史联系起来,在欧洲和近东建立起一个大致推算的绝对年表.此外,从1905到1912年,斯堪的纳维亚的地质学家和植物学家利用冰川湖泊纹泥和孢粉建立起大约12,000年的绝对年代,并将其与历史纪年联系起来.1894年起,美国天文学家安德鲁•,道格拉斯开始研究太阳辐射对地球气候和树木生长年轮的影响,这一方法在1912年开始用于对美国亚利桑那州和新墨西哥州史前遗址中建筑木料的绝对断代,将该区域的历史上溯到公元前4000年.后来,西北欧利用橡树年轮将当地史前史上溯到公元前8000年,而德国利用松树年轮,将当地历史上溯到公元前10,000年(4).
考古学的革命性变化发生在1950年,美国化学家威拉德•,利比发明的放射性碳断代方法为考古学提供了一种绝对年代的测定方法.这一科技成就是二战美国军用核技术的一个副产品,为考古学提供了一种全球适用的断代技术.之后,该方法对其他放射性断代方法的诞生起到了促进作用,裂变径迹法、铀系法、钾氩法等测年方法纷纷问世.再加上含氟量、黑耀石水合法、古地磁、电子自旋共振、热释光、光释光等等不同测年技术的诞生,为考古学提供了多种不同的测年方法.这些方法不但将考古学家从类型学断代中解放出来,去关注其他更加重要的问题,而且精确的年代测定使得考古学家能够更加细致观察和分析文化的变迁,探讨社会和文化发展的原因.
文化历史考古学的探究主要局限在探究谁、何物、何时与何地等问题,而20世纪60年代兴起的新考古学或过程考古学则提出了为何和如何的问题.新考古学对文化历史考古学描述性和编年学方法表示不满,认为考古学不应局限于历史学的描述和编年,必须像科学一样来探究造就文化变迁的原因.新考古学提倡在考古分析中引入自然科学的实证方法,以明确的问题导向提出假设,用严谨的科技分析手段来进行检验.过程考古学采纳了斯图尔特的文化生态学方法,从文化功能观和人地关系来观察文化的变迁,将文化看作是人类对局部环境压力所做的功能适应.于是,文化变迁的动力被认为主要来自生态环境的影响.于是,环境考古学成为过程考古学的主要方法.而人类历史发展的重要转折,比如人类起源、农业起源和文明与国家起源等战略性课题,成为考古研究的基石.在这一研究取向的激励下,各种科技手段蓬勃发展起来.这些科技手段的运用主要包括以下几个领域:地学,涉及地质学和土壤学的环境研究,植物学,涉及利用植物、孢粉、植硅石、树木年轮对生态气候的重建,动物学,涉及哺乳动物、鱼类、贝类、昆虫等生物链的重建,人类,涉及墓葬、病理学、食谱和遗传学的研究,器物和原料,涉及石、陶瓷和金属等工具的生产和使用.
环境考古环境考古是考古科技中多学科交叉表现最为显著的一个领域,它所研究的问题涉及到极为广泛的层面.比如,以石器时代狩猎采集者研究为例,考古学家需要有详细的动植物知识,对气候条件有一个总体的了解,并要掌握人类生计和食谱的信息.如以文明兴衰研究为例,环境研究可以为玛雅文明、复活节岛以及良渚文化的去向提供深入的洞见.环境考古首先在19世纪斯堪的纳维亚的贝冢研究中开启先河,随后在瑞士的湖居遗址和北美的贝冢研究中采纳.1949年,英国考古学家格拉厄姆•,克拉克对中石器时代斯塔卡遗址的发掘采取了环境重建的方法,为在欧洲推广多学科研究提供了榜样.目前,环境考古是考古科技的一项主要目标,涉及范围极为广泛,从全球气候到影响个人日常生活的昆虫和细菌.正如美国考古学家丁考兹(D.F. Dincause)所言,环境考古的意义在于,如果不了解自然和生物学背景,就无法了解人类过去生活的各种状况(5).
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环境变迁与气候密切相关,更新世是冷暖交替剧烈的冰川时代,这种气候环境对人类起源和演化产生了巨大的影响,而冰川后期的气候变迁与农业起源和文明起源关系密切.虽然长期的气候变迁十分重要,但是短期波动对人类生活也影响巨大,特别是以特定农作物和牲畜为生的农业社会.
地貌和土壤对于重建古环境十分重要.地表的土壤堆积、岩石露头和河湖水源的分布决定了动植物的类型和分布,以及人类觅食活动及农耕活动的条件.但是,目前土壤的分布以及农业经济的潜力可能与古代不同.土壤科学需要勘查地层的剖面,以分辨被侵蚀活动或后来土建活动所掩埋的古代地面.特别当人类不断砍伐山上的森林以拓展耕地,水土流失就会掩埋河谷底部原来的农田和聚落.分辨不同类型土壤,也能够了解人类对环境的扰动.比如褐土是林地环境的典型土壤,只要林木生长,土壤就十分稳定.但是伐林开荒后,降雨的淋滤过程会导致土壤退化,结果变成贫瘠的不毛之地(6).
植被是区域环境变迁的一个很好衡量指标,除了充分利用大型植物遗存如种子、木头和叶子外,孢粉和植硅石被广泛用来重建古环境的变迁.而动物群一直是考古研究的一个重要方面,主要收集和分析各种动物的骨骼,并统计它们的数量.最初,动物群研究纯粹是从年代学和气候环境角度来分析的,后来这些材料成为研究人类生计和经济变迁的重要内容.考古学家研究动植物资源利用的季节性变化和丰富程度,以了解古代人群的觅食策略和聚落形态,这种研究对于从狩猎采集向农业经济过渡尤为关键.当一处遗址或一个区域的植被历时变迁被构建起来之后,加入动物群、聚落分布和器物工具等资料,就能对该地区古代人类的生计和物质文化功能做出比较准确的解读,并能够重建人类经济、技术和聚落形态(社会结构)的具体演变轨迹.但是,动物群分析需要仔细研究动物骨骼的堆积动力,不能将它们看作都是人类行为的结果.这就产生了埋藏学和动物考古学的特殊领域,将人类活动与自然动力比如食肉动物造成的骨骼堆积区别开来(7).为了从遗址中尽可能提取所有动植物材料,浮选法或水洗法被用来收集微小的植物种子和小动物骨骼.浮选技术的应用,对农业起源研究带来了革命性的突破.美国考古学家肯特•,弗兰纳利在对伊朗阿里科什遗址发掘之初,认为植物遗存很少,人们生计仍然以狩猎采集为主.两年后采用了浮选技术,从整个文化层中发现了四万颗小麦和大麦的种子,彻底改变了对近东农业起源的认识(8).而区分野生动植物物种和驯化物种也是一个需要用特殊方法分析的领域,因为驯化是一个漫长的转变过程,不可能通过鉴定少数样本的特征就可以获得对这一过程的充分认识.
大约从旧石器时代晚期开始,人类开始加大对水生资源的利用.到中石器和新石器时代早期,鱼类和贝类成为广谱经济的主要利用对象,在世界各地形成了大量的贝丘遗址.鱼类的骨骼较小,需要通过水洗来收集.与其他大型哺乳动物相比,鱼骨保存的几率要低得多.因此有可能低估一个遗址中对鱼类资源的利用.许多鱼类都有耳石,能够留存下来以供鉴定.有些鱼类如鲶鱼鳍的椎骨,能用显微镜观察其生长线以估算其年龄及其大小.从一些鱼类可以推断其栖息地的水域环境,甚至捕捞的季节(9).有些海滨和湖畔的贝丘遗址几乎都是由贝壳堆积而成,贝类作为食物资源的潜力比较容易计算,由于其卡路里能量较低,所以虽然其看似数量巨大,但是可能仍不足以作为主食或全年供养较多的人口.一头赤鹿提供的卡路里相当于52,267只牡蛎或156,800只蛤(10).不同贝类栖息地的水深,可以指示捕捞的范围和强度.贝壳生长线的观察,可以指示是全年还是季节性采集.比如,对丹麦一处贝丘遗址的观察发现,中石器时代先民主要在春天捕捞牡蛎,而新石器时代先民捕捞的时间更长,一直延续到夏天(11).但是,有时在内陆遗址发现一些贝壳,则未必作为食物.大的贝壳会作为容器和工具,甚者作为仪式用的号角.小的海贝常常被用作装饰品甚至货币.周口店的山顶洞出土了用作饰件的海蚶壳,殷墟妇好墓出土了6800多枚产自南海的海贝,三星堆祭祀坑也出土了大量海贝,这些贝类显然是远程交换的奢侈品,具有特殊的文化或宗教象征意义.昆虫在指示环境变迁、过去人类的生活条件、食谱和健康方面信息具有较大的潜力.
人类骨骸更新世的古人类骨骸极其珍贵,可以提供人类起源和体质进化、物种差异的信息.全新世人类骨骸出土成倍增加,过去对考古遗址出土的人骨一般观察一下性别和年龄,现在采用高新技术,考古学家可以从人骨中直接获得其当时生活状况的信息.
首先,通过检测骨骼中的微量元素和同位素可以了解古代人群的食谱.比如碳同位素13C/12C比值可以指示主食的类型和来源,氮同位素15N/14N比值较低指示农业为主的经济,而比值较高指示一种以海洋资源为主的经济.而微量元素锶则是素食和肉食比例的有用标志,这种测定往往可以在没有其他动植物遗存的情况下,直接了解人类的生计及经济形态的转变.
其次,人骨的病理学和法医学研究可以了解过去人群的身高、营养状况、劳动强度、暴力创伤、寿命和疾病.理想的话,病理学研究与其他考古信息结合起来,可以详细重建过去人类生活状况的细节.有时,单一遗址就能提供经济变迁的重大信息.比如叙利亚幼发拉底河边的阿布胡赖拉遗址起先由狩猎采集者居住,后来由新石器农人居住,于是对这两个阶段的人群能够直接做病理学的比较.证据显示,新石器时代妇女,因长期跪着碾磨谷物,导致关节炎和膝盖和拇趾的损伤.此外,长期负重、暴力和战斗也会留下过量运动导致的损伤(12).
还有,遗传学的DNA技术利用分子钟来破解人类的遗传密码,它不仅可以区分性别,而且可以追溯现代人的起源、族群的渊源和迁徙,因此可以解决物质文化无法分辨的族群问题(13).线粒体DNA可以追溯母系的渊源关系,而Y染色体可以追溯父系的渊源.DNA技术近二十多年来成果斐然,为了解现代人的起源和扩散作出了巨大贡献,其成就被认为可与人类登陆月球相媲美.
器物、原料和工艺岩石学方法可以分析石、玉和陶器的成分和结构,这些岩石和陶片的切片被放在显微镜下观察,可以知道组成的矿物以及地质来源.金属器物也能同样做金相学的显微观察,了解金属生产的主要阶段,以及区分细微的铸造过程.它还能揭示铜器是否ń
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