本文發表在《大眾科學》的前部落格網路中，反映了作者的觀點，不一定反映《大眾科學》的觀點
每個領域都有熱情的專家之間的激烈辯論，藝術界也不例外。例如：一些藝術史學家長期以來懷疑，繪畫大師巴勃羅·畢加索使用的並非他那個時代傳統使用的油畫顏料，而是普通的家用塗料，這將使他成為第一個這樣做的已知藝術家。但是如何證明這一點呢？如果你是芝加哥藝術學院的保護科學家弗朗西斯卡·卡薩迪奧，你會利用該地區頂尖物理實驗室的地理優勢。
在這種情況下，她與阿貢國家實驗室的物理學家沃爾克·羅斯合作，羅斯使用高能X射線束在分子水平上研究材料。羅斯本月早些時候在聖安東尼奧舉行的APS三月會議上談到了這次合作，以及在奈米尺度上研究畢加索所產生的有趣結果。
讓我們倒回到2006年，當時為即將到來的畢加索展覽做準備促使博物館管理人員挑戰卡薩迪奧，以便在此之前解決家用塗料的難題。她堅持不懈地走遍歐洲，儘可能多地用手持式熒光光譜儀檢查畢加索的畫布，這是一種可以顯示物體中無機元素的裝置。（“機場安檢人員並不總是樂於看到它，”卡薩迪奧在2012年對《芝加哥論壇報》承認。“但我告訴他們，這是一個用於進行油漆測試的高階吹風機。”）
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為了比較，她還透過法國的eBay（類似於的平臺）追蹤到了一些大約在1912年由Ripolin公司生產的舊塗料。
這是一個高尚的努力，但她沒有足夠高解析度的儀器來進行明確的診斷。因此，這個探索再次被擱置了，直到2010年，卡薩迪奧的一位同事正在和阿貢的一位科學家約會。
他建議實驗室的先進光子源——一種高能X射線源——對於解決這個謎團所需的精細解析度分析來說是理想的。因此，卡薩迪奧與沃爾克合作，分析了幾幅畢加索畫布上的油漆碎片（透過從意外滴落處去除微小的樣本，以防損壞無價的藝術品），以及卡薩迪奧早在2006年收集的舊塗料。
正是X射線的較高頻率使它們如此適用於分析藝術品。它們可以直接穿過繪畫，而不會對其造成損害。由於密度較高的材料會收集更多的X射線光子，因此特別是密度較高的顏料（氧化鋅，鉛丹）會在X射線影像中顯示為明亮的白色斑點。X射線成像還可以顯示畫布上任何被覆蓋的東西，或者藝術家可能改變了他（或她）最初構想的地方。
同步輻射與威廉·倫琴早在1895年發現的傳統X射線略有不同；它是粒子加速器內產生的一束非常高強度的X射線。你將電子射入線性加速器（linac），在小型同步加速器中提高它們的速度，並將它們注入儲存環，在那裡它們以接近光速的速度穿過。一系列磁鐵彎曲並聚焦電子，在此過程中，它們會發射出X射線，然後可以將其聚焦到光束線上。這對於成像目的以及分析結構很有用，因為通常，使用的波長越短（以及光的能量越高），可以成像和/或分析的細節就越精細。
因此，卡薩迪奧和羅斯為他們的畢加索專案選擇了一種非常好的技術。結果：歷史學家的懷疑是正確的。畢加索確實使用了普通的家用塗料。確鑿的證據是大師使用的白色塗料中發現的氧化鋅中某些雜質。這一發現促成了2013年在《應用物理學A》雜誌上發表的一篇論文，並構成了沃爾克在APS會議上演講的基礎。
哦，分析還揭示了畢加索的《老吉他手》（左）下面隱藏的另一幅畫作。X射線揭示了一個女人和孩子以及一些動物的影像，它們隱藏在頂部的繪畫後面。
透過“藝術之前”網站，珍-呂克·皮昆得知了1920年代的一個臭名昭著的案例，其中一位堪薩斯城社交名媛聲稱自己擁有一幅有時被認為是萊昂納多·達·芬奇的16世紀著名畫作的真跡。《美麗的費隆妮葉》歸盧浮宮所有，但在1929年，安德烈·哈恩夫人起訴了一位名叫約瑟夫·杜文的藝術品商人，因為他反駁了她關於盧浮宮收藏的是複製品而她的是真跡的說法。
正是X射線放射照片幫助平息了爭論，這對哈恩夫人來說不是好訊息。盧浮宮畫布的影像清楚地顯示了藝術家在繪畫構圖過程中所做的更改；哈恩夫人的畫布沒有顯示這些更改，這證明它是一份副本。陪審團未能達成判決，但至少X射線作為一種鑑定藝術品的好方法獲得了勝利。
我之前寫過關於物理學和藝術之間這個迷人的交叉點的文章。例如，早在2008年，一支歐洲科學家團隊使用同步輻射重建了文森特·梵高所畫的農婦肖像，該肖像在藝術家創作1887年的《草地》時被覆蓋了。它在那裡休眠了121年，直到我們最終擁有了無損分析該繪畫並重現隱藏影像的技術，這要歸功於德國漢堡的德國電子同步加速器（幸好以首字母縮寫DESY而聞名）。
最近，DESY的同一批人使用X射線衍射對映結合斷層掃描來研究梵高的《雲層下的麥垛》。他們有興趣更好地瞭解紅色氧化鉛顏料如何隨著時間的推移而褪色。有時它會變成方鉛礦或方鉛礦，使顏色變黑，有時它可能會轉化為紅鉛或亞硫酸鉛，將其漂白。
DESY團隊與安特衛普大學的研究人員合作進行了分析，並在梵高的畫布中發現了一種非常罕見的礦物，稱為鉛錳礦，該礦物似乎在顏料的漂白過程中起作用。隨著時間的推移，光線會觸發二氧化碳的吸收，從而形成鉛錳礦，最終變成白色調的碳酸鉛。
基於X射線的技術有很多變體，例如一種稱為掃描宏觀X射線熒光光譜法，該技術由安特衛普大學和代爾夫特理工大學的研究人員開發。它特別擅長突出顯示隱藏在繪畫表面之下的顏料。應荷蘭國家博物館的要求，他們用它分析了戈雅的《唐·拉蒙·薩圖埃肖像》，這是一幅1823年的畫布，描繪了一位當時在馬德里擔任法官的人，也是這位藝術家的朋友。令人驚訝的是，在肖像下方是另一幅未完成的法國將軍肖像。由於某種原因，戈雅決定將其覆蓋。
該技術還在2011年用於鑑定一幅小畫板（《帶鬍子的老人》），據信是倫勃朗所作。研究人員在該表面下發現了這位荷蘭大師未完成的自畫像。
X射線並不是唯一用於揭示藝術秘密的物理工具：一組義大利和德國科學家使用核磁共振（MRI機器背後的基礎物理學）來無創地繪製出歷史悠久的精美繪畫的層次結構。這被稱為“地層學”。其中包括任何準備層、底稿、實際的油漆層，以及在許多情況下，還有一層清漆。
這項新技術為繪畫所做的工作與為人體所做的工作非常相似，只是它不使用X射線、探測器和尖端計算機來提供有關軟組織和可能存在的腫瘤的資訊，而是提供有關繪畫層中使用的粘合劑的資訊。這些粘合劑通常由蛋黃或油等物質製成。
渴望瞭解更多關於這個迷人領域的資訊？碰巧的是，有一部完整的紀錄片（由唐納德·薩瑟蘭解說，毫不遜色）講述了那些為了檢查曾經被認為是複製品的繪畫而奔波於世界各地的勇敢學者，這些繪畫後來被證實為失落的倫勃朗作品。它被稱為《走出陰影》。一部關於連線畢加索、梵高和戈雅的科學和藝術的紀錄片還會遠嗎？
參考文獻:
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Matthias, Alfeld 等. (2011) “用於現場研究歷史繪畫的移動掃描宏 XRF 系統的最佳化，”分析原子光譜學雜誌 0267-9477-26, 頁. 899-909
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Vanmeert, Frederick; Van der Snickt, Geert; 和 Janssens, Koen (2015) “透過 X 射線粉末衍射斷層掃描鑑定鉛酸鉛為梵高繪畫中紅鉛退化過程中的缺失環節，”應用化學 127(12): 3678-3681。