本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定代表《大众科学》的观点
艺术和政治通常不相容。问问西班牙画家弗朗西斯科·戈雅就知道了。好吧，你不能直接问他，因为戈雅去世近200年了，但是对他最著名的画作之一进行新的X射线分析可能会揭示戈雅创作这幅画作的独特环境。这几乎和直接询问戈雅一样好了。
通过 io9，我了解到一种名为扫描宏观X射线荧光光谱法的新技术，该技术由安特卫普大学和代尔夫特理工大学的研究人员开发。应荷兰国立博物馆的要求，他们使用该技术分析了戈雅的《唐·拉蒙·萨图埃肖像》，这是一幅1823年的画布，描绘了一个当时是马德里法官的人——也是这位艺术家的朋友。瞧，在这幅肖像画的下面，还有另一幅未完成的法国将军肖像。出于某种原因，戈雅决定把它覆盖掉。
诚然，他为什么选择这样做是推测性的，但理论是底画可以追溯到1809年至1813年之间，当时拿破仑·波拿巴的兄弟约瑟夫在波拿巴推翻西班牙王室后统治西班牙。但后来国王费迪南七世设法夺回了他的王位。正如荷兰科学家解释的那样，这使戈雅处于尴尬的境地
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从扫描图中可以清楚地看到，戈雅（1746-1828）在他随意摆姿势的西班牙法官拉蒙·萨图埃的肖像之上，画了一幅更加正式的，身穿制服的男子的肖像。装饰制服的装饰品是约瑟夫·波拿巴在其兄弟，皇帝拿破仑任命他为西班牙国王时设立的骑士团的最高级别。因此，隐藏的肖像必定可以追溯到1809年至1813年之间。戈雅的萨图埃肖像有签名，日期为1823年。尽管隐藏的模特的面部不太清晰，但这幅肖像几乎可以肯定地描绘了陪同约瑟夫前往马德里的法国将军之一，甚至可能就是约瑟夫本人。当法军于1813年被赶出西班牙，费迪南七世复辟时，这幅肖像很可能留在了戈雅手中。十年后，戈雅有充分的理由将其掩盖起来。他曾签署了1820年的自由主义西班牙宪法，当费迪南于1823年恢复专制统治时，戈雅担心遭到报复，甚至与萨图埃的亲戚一起躲藏起来。在这种情况下，他拥有一幅拿破仑军官的肖像只能被解释为有损声誉。
这并非科学界的不寻常成像技术首次应用于艺术界。早在2008年，我写了一支欧洲科学家团队，他们使用同步辐射来重建文森特·梵高绘制的农妇肖像，这位艺术家在创作1887年的《草地》时将其覆盖。它在那里沉寂了121年，直到我们最终拥有了无损分析绘画并重现隐藏图像的技术，这要归功于德国汉堡的德国电子同步加速器（幸运地以首字母缩写词DESY而闻名）。
同步辐射与传统的X射线略有不同；它是粒子加速器内产生的极高强度X射线的细束。“速记版”的工作原理是这样的：您将电子发射到线性加速器（linac）中，在小型同步加速器中提高其速度，然后将其注入到存储环中，在那里它们以接近光速的速度飞驰。一系列磁铁弯曲并聚焦电子，在此过程中，它们会释放出X射线，然后可以将X射线聚焦到光束线上。这对于成像目的和分析结构非常有用，因为一般来说，使用的波长越短（光的能量越高），可以成像和/或分析的细节就越精细。
有人已经使用传统的X射线来揭示底层肖像的大致轮廓，但是该技术不足以区分许多层油漆。此外，由重金属制成的颜料倾向于掩盖来自其他元素的颜色，导致荷兰代尔夫特理工大学的材料科学家和艺术史学家约里斯·迪克将其描述为“非常片面，零碎，色盲的视角”。
迪克和他的同事将《草地》带到DESY，并将这幅画暴露在X射线束下。辐射激发了画布上的原子，然后原子发射出自己的X射线，被荧光探测器拾取。绘画中的每种元素都有其自己的X射线特征，因此他们能够识别出许多层油漆中金属的分布，构建3D模型，然后在虚拟图像中逐层剥离，直到最终揭示出下面的东西。
根据《洛杉矶时报》报道：“顶层由锌，钡，硫和其他元素制成的油漆组成。在它后面，他们发现了铅的均匀分布，铅被用作底漆，以隐藏肖像并为新绘画准备画布。一旦将其去除，他们就结合了另外两种元素（汞和锑）的分布，以产生隐藏肖像的轮廓。”
他们发现了与梵高在1885年创作他的著名作品《吃土豆的人》时使用的模特非常相似的女性肖像的残骸，并使用计算机软件，用他们自己的“按数字绘画”技术版本重建了这幅画。显然，梵高以回收他的画布而闻名，这对他来说非常节俭且符合环保意识。显然，他是一个超越时代的人。事实上，一些艺术专家认为，他早期绘画作品中多达三分之一的作品下面都有更旧的作品。
同步辐射是一个新兴的研究领域，在物理学，化学，材料科学，医学，地质与环境科学，结构基因组学以及（正如我们所见）考古学中得到应用。牛津郡的钻石同步加速器是该地区越来越多的世界一流研究机构之一。事实上，加的夫大学的科学家开发了一种巧妙的技术，用于分析古代羊皮纸中的隐藏内容，而无需打开它们，例如巴赫的原始乐谱或死海古卷（其中一些非常脆弱且损坏严重，尚未展开）。
许多手稿，例如12世纪的手稿，都使用用没食子酸制成的墨水，但是书写它们的羊皮纸包含胶原蛋白（因为羊皮纸是用牛，绵羊或山羊的薄拉伸皮肤制成的），并且胶原蛋白自然降解为明胶。铁墨水加速了这一过程。坦率地说，这么多羊皮纸幸存下来真是个奇迹。
无论如何，加的夫的研究人员使用同步加速器的强大X射线束，创建了铁墨水文档的3D图像。由于墨水字迹包含铁，因此结果是吸收图像，很像一个人的骨骼在标准X射线上显示得如此生动。卷起的羊皮纸最适合该技术；书籍是扁平而厚的，这更具挑战性。
虽然X射线可以揭示艺术之谜，但有时还不足以破解案件。毛里齐奥·塞拉西尼——国家地理学会研究员，文化遗产工程师，以及加州大学圣地亚哥分校跨学科艺术，建筑与考古科学中心（CISA3）的创始人——是一位自称的“艺术诊断学家”，他已经寻找一幅失落的壁画30年了。艺术家？列奥纳多·达·芬奇。
他一直在与UCSD的其他科学家合作，分析佛罗伦萨旧宫墙壁上的500年历史的砖块。他们正在寻找一幅名为《安吉里之战》的失落壁画，这幅壁画是列奥纳多从未完成并被认为已毁坏的。列奥纳多开始这个项目是为了纪念15世纪佛罗伦萨在托斯卡纳安吉里战胜米兰，但他第二年就离开了，没有完成壁画。为了找到它，科学家们正在将他们可以聚集的所有高科技武器都投入到这项任务中：激光扫描仪，热成像，雷达和中子束等技术。
大约30年前，塞拉西尼注意到另一位16世纪艺术家乔尔乔·瓦萨里在大厅的另一幅壁画上留下了一条神秘的信息：“Cerca, trova”，或“寻找，你就会找到”。（图片是保罗·鲁本斯在1604年左右复制的失落壁画的场景。）这使他怀疑瓦萨里保存了列奥纳多未完成的壁画，而不是将其摧毁。他还在储藏室里发现了砖块和石制品，这些砖块和石制品曾经是旧宫巨大大厅，五百人大厅（“1500年代大厅”）的一部分。在文化部长弗朗切斯科·鲁泰利的许可下，他将砖块运往UCSD，以便科学家可以分析其结构和成分。
首先，他们使用雷达和X射线扫描来定位瓦萨里壁画后面的空腔，表明墙壁之间存在空间，然后他们使用激光扫描仪来构建瓦萨里墙壁的3D模型。接下来，他们对瓦萨里的油漆颜料进行了化学分析，并进行了热成像以更好地描绘墙壁结构。这使他们更好地了解了墙壁后面可能存在的东西，以便为最后一步做准备：将中子束穿过整个结构。他们从颜料和墙壁上学到的一切都可以从整体中子分析中减去，从而确定列奥纳多工作的墙壁的成分。
如果它在那里，塞拉西尼认为壁画应该在在大厅原始石墙的顶部找到。他可能是错的——那里可能根本没有失落的列奥纳多壁画。但是塞拉西尼仍在寻找。他还有另一种新技术可供使用，能够聚焦微量的伽玛射线。罗伯特·史密瑟是阿贡国家实验室高级光子源的物理学家，是铜晶体镶嵌伽玛射线衍射透镜的发明者，这种工具很可能能够穿过实心砖墙拍摄绘画。
摄影记者戴夫·约德三年前参与了这项工作，尝试了一项Kickstarter众筹活动，为正在进行的搜索筹集资金；尽管国家地理学会为该项目提供了慷慨的资金，但伽玛射线透镜非常昂贵，需要额外的外部资源。约德本人确信这最终可能是他们破解案件所需的工具
史密瑟乐观地认为，他的技术，一种他正在开发用于医学用途的高清肿瘤成像的特殊类型的伽玛相机，可以用于此应用。他和我前往弗拉斯卡蒂，意大利研究中心ENEA的所在地，在那里，我们与意大利物理学家团队合作，测试了该技术。科学家们使用一台直接来自科幻电影的粒子加速器，记录了从颜料样品中发出的伽玛射线信号，这些样品穿透了我们从旧宫带来的原始砖块。结果非常令人鼓舞；史密瑟的技术应该可以很好地检测，甚至成像绘画，即使是穿过瓦萨里的砖墙。因为我们从副本中知道这幅画的样子，所以获得图像不仅可以帮助积极地识别这幅画（如果它幸存下来），还可以提供有关其状况的信息。
唉，尽管《纽约时报》等媒体进行了报道，但Kickstarter众筹活动仅筹集了约25,000美元，而所需的资金为266,500美元。但这肯定是一个开始，而且我怀疑像塞拉西尼这样的人在搜索了30年后会现在放弃。
X射线不是唯一帮助揭示艺术秘密的物理工具：一组意大利和德国科学家已经使用核磁共振——MRI机器背后的基础物理学——来非侵入性地绘制历史精美绘画的分层。这被称为“地层学”。其中包括任何准备层，底图，实际的油漆层，以及在许多情况下，一层清漆。
这样做的理由是，这种精确的分析有助于确定艺术品的年代，来源和真实性，就像地质学家通过研究各种地质层来了解地球历史一样。这项新技术对绘画的作用与对人体的作用大致相同，不同之处在于，它不是使用X射线，探测器和尖端计算机来提供有关软组织和可能存在的肿瘤的信息，而是提供有关绘画层中使用的粘合剂的信息。这些粘合剂通常由蛋黄或油等物质制成。
仅仅了解粘合剂的性质通常就可以区分自然老化的绘画作品和人工老化的绘画作品（委婉地说是“伪造”）。它是非侵入性的，并且单面使用的磁体，与MRI磁体不同，MRI磁体必须包围患者（和/或肢体）进行成像。因此，科学家可以将扫描仪直接带到绘画作品前，而无需接触表面。此外，该技术还可以确定各种油漆层的厚度，并且虽然不能明确地“确定”每层的年代，但可以分辨出哪些层比其他层更旧。很容易看出为什么这可能是艺术史学家的有用工具。
科技不是很奇妙吗？谁知道科学还会在其他绘画作品的表面之下发现什么呢？