透過宇宙射線解密秦始皇陵的地宮結構

秦始皇陵是中國歷史上第一個中央集權國家 - 秦帝國建立者嬴政的陵墓,過去大眾多以為秦始皇陵範圍僅及於封土範圍,但1974年兵馬俑坑的意外發現使各界對秦始皇陵的認識大幅改觀。近年考古工作已使得秦始皇陵園的布局逐漸清晰,但深埋於封土下的地宮現況仍有待了解。北京師範大學物理學家劉圓圓研究團隊嘗試利用宇宙射線緲子斷層掃描技術重建地宮的三維影像,目前模擬結果顯示此方法具可行性。

圖一:謝閣蘭1914年所拍攝的秦始皇陵封土(圖片出處:Musée national des Arts asiatiques-Guimet)

 編譯|江柏毅

秦始皇生於公元前259年,是中國戰國時期秦國的最後一位君主,嬴姓,趙氏,名政,時稱趙政(註一),史書多作秦王政。

公元前230年秦王政發動了翦滅東方六國的滅國戰爭,在短短的十年內結束了五百多年來諸侯割據紛爭的局面,建立了中國歷史上第一個中央集權君主統治的國家 - 秦帝國。秦王政在統一後自稱始皇帝,並推行了一系列政治措施,包含延續了自秦孝公時期商鞅變法而來的中央集權與郡縣制管理、統一度量衡、書同文及典章制度等,奠定了中國兩千年來的政治格局。

秦始皇在位期間亦進行多項大型工程,如修築長城、阿房宮、驪山陵、靈渠等,同時還北伐匈奴、南征百越。許多學者認為人民徭役過重是導致秦帝國在始皇帝死後三年迅速覆滅的主因之一(註二)。

秦始皇於第五次巡遊時駕崩,葬於陝西省西安以東31公里的臨潼區驪山,後世稱其陵墓為秦始皇陵。目前所見秦始皇陵最早的實地考察是明代學者都穆的《驪山記》,而近代調查則始於1906年日本學者足立喜六應清政府之聘於1906至1910年所進行的實地考察,於《長安史跡研究》中記述有陵墓現況與實測封土數據。1910年代法國人謝閣蘭(Victor Segalen)也對秦始皇陵進行過調查,並記錄於《中國西部考古記》。

秦始皇陵位於地面上的建築目前僅見巨大的封土(註三),外觀呈覆斗形,頂部略平,中腰部有兩個緩坡狀台階,形成三層階梯。此觀察與漢人劉向所述「上從三墳」一致。現存封土底部南北長350公尺,東西寬345公尺,高51.7公尺。總面積達十二萬平方公尺,相當於十七個足球場。

過去大眾多以為秦始皇陵範圍僅及於封土範圍,但1974年兵馬俑坑的意外發現使各界對秦始皇陵的布局大幅改觀;根據近五十年來的調查研究,秦始皇陵分內、外兩城,內城周長2.5公里,外城周長6.3公里,除了緊鄰封土的寢殿、便殿、飲宮、內城墓葬區之外,內城、內外城之間及外城外分布有超過兩百個陪葬坑,稱之為「外藏系統」,包括兵馬俑坑、文官俑坑、銅車馬坑、石鎧甲坑、百戲俑坑、青銅水禽坑、動物陪葬坑、馬廄坑、珍禽異獸坑等。根據司馬遷「宮觀百官」的記述與各陪葬坑之內容推測,秦始皇陵的外藏系統象徵的是秦帝國的官署機構,兵馬俑坑可能象徵帝國的軍事單位、馬廄坑象徵中央廄苑、石鎧甲坑象徵軍備庫、銅車馬坑象徵太僕、青銅水禽坑象徵少府下屬機構(負責娛樂活動)、K003坑象徵提供飲食的機構、文官俑坑則象徵廷尉官署。

圖二:秦始皇陵布局圖(筆者提供)

 

根據遙感探測結果,秦始皇陵封土內發現有一組高出地面三十公尺的夯土建築。夯土建築上窄下寬,外側呈九層台階狀,台階上還有木結構的覆瓦屋面建築。《漢書・賈鄒枚路傳》記載:「(始皇)死,葬乎驪山,吏徒數十萬人,曠日十年。下徹三泉合采金石,冶銅錮其內,桼塗其外,被以珠玉,飾以翡翠,中成觀游,上成山林。」秦始皇陵封土內的九層台階狀建築可能便是漢書所提到的「觀」(註四),而從整體秦始皇陵內藏、外藏系統設計規劃觀點來看,此建築應為供秦始皇死後於陰間治理國家之暇,靈魂登高俯瞰秦帝國時所用。

秦始皇陵地宮(註五)位於封土正下方,根據《史記・秦始皇本紀》、《漢書・楚元王列傳》記載,其內部「宮觀百官奇器珍怪徙臧滿之。令匠作機弩矢,有所穿近者輒射之。以水銀為百川江河大海,機相灌輸,上具天文,下具地理。以人魚膏為燭,度不滅者久之。」、「石槨為游館,人膏為燈燭,水銀為江海,黃金為鳧雁。珍寶之臧,機械之變,棺槨之麗,宮館之盛,不可勝原。」說明地宮中除了秦始皇的棺槨外,還有大量珍奇陪葬品與防止盜墓的機械設施,並可能根據當時的天文地理知識,以水銀在地宮中模擬秦帝國的山河水系版圖。

上世紀80年代考古學家曾對秦始皇陵進行土壤的汞含量測量,結果在封土的中心區域發現面積約1.2萬平方公尺的強汞異常區,推測水銀為人為活動所造成,而非自然界的富集。二十一世紀初科學家又重新對封土進行了氡氣測量,結果仍顯示強汞異常的原因源自水銀揮發,證實了司馬遷與班固的記載。

根據二十一世紀初的遙感偵測推測,秦始皇陵地宮約在地表下十層樓深度,長80、寬50公尺,高度約15公尺,面積約十個籃球場大小,東西兩側有墓道,東墓道較長、較寬,為主墓道。整個地宮建築天花板和牆為巨石板包覆。秦始皇陵地宮是中國歷代考古學家亟欲一探究竟的遺址,但鑒於1956至1957年明神宗定陵的發掘悲劇(註六)和1974年兵馬俑坑陶俑外層彩繪在接觸空氣後迅速嚴重脫落、失去原有色彩(註七)的慘痛教訓,中國政府始終有不主動開挖帝陵的定規。

在不開挖的前提下,考古學家過去主要透過重力異常(gravity anomaly)偵測和透地雷達(ground-penetrating radar)這兩種方式探究秦始皇陵地宮的面貌,但前者容易受環境干擾且偵測範圍有限,後者則有偵測深度限制。近日北京師範大學物理學家劉圓圓研究團隊則嘗試利用宇宙射線(cosmic rays)解開秦始皇地宮之謎。該技術稱作緲子(muon)斷層掃描,2017年曾應用於埃及吉薩大金字塔內部探測,成功發現了一條長達98英尺的密室。

宇宙射線偵測的技術原理如下:來自外太空的高能宇宙射線在撞擊高層大氣分子後,會產生一波波包含π介子(pion)在內的次元子粒子,並快速衰變為緲子。由於緲子幾乎可以穿透任何物體,當它們通過密度較大的物質時,被吸收率較高,而通過空隙時則被吸收率較低。透過在秦始皇陵地宮之下不同位置安裝緲子偵測器,考古學家便能計算、比較不同的緲子接收率,進而重建地宮的三維影像。此技術類似於人體X光顯影。

為確認緲子斷層掃描探測秦始皇陵地宮的可行性,研究團隊在中國中央政府經費支持下根據考古資料與歷史記載製作了一個地宮模型,在將模型放置於兩台緲子偵測器之上後深埋,以偵測器所獲之數據進行影像重建,最終顯示此技術可行。

研究團隊認為實際探測需要至少兩台緲子偵測器放置於地宮底部100公尺深的不同位置。南方科技大學地球物理學教授楊迪琨也認為緲子斷層掃描是可行的,他表示,今日應用於田野工作的緲子探測器已設計得非常小,即便一個孩子都可以帶著走,主要的挑戰在於必須在不破壞任何文物的前提下,成功將緲子偵測器放入地宮以下位置;此外,這項研究也需要相當耐心,因為緲子斷層掃描需要不斷運行,直到偵測器收集到足夠的緲子以進行有意義的分析。實際上劉博士研究團隊表示,緲子偵測器至少需要一年的時間才能產生出地宮結構的清晰影響。

 

註釋:

註一:中國上古有「姓」、「氏」,「姓」是族號,隨母系,不能改變,「氏」是「姓」的分支,出於同姓的多個男子,可以自立、改變,即所謂「因生以賜姓,胙(賜)之土而命之氏」。同姓可以有不同的氏,用來區別子孫的所由出生。在三代,男子稱氏,女子稱姓。氏用來區別貴賤,貴族有氏,貧民有名無氏。姓用來區別婚姻,同姓不能通婚,姓同氏不同也不能通婚,而氏同姓不同則可以通婚。春秋戰國時代之後因宗法制度瓦解,姓氏制度也發生根本變革,這時姓、氏差異漸漸模糊,往往以「氏」為「姓」,兩者遂逐漸混一。戰國以後平民也有姓,「百姓」遂成為民眾的通稱。始皇帝稱「嬴政」最早的文獻見於公元226年曹植所書《文帝誄》,提到「弗求古訓,嬴政是遵。」

註二:另有說法認為秦帝國過於緊密、僵固的社會運作系統使得社會整體在面臨問題時缺乏應變的彈性,而秦帝國未能及時調整其社會政治系統是導致最終覆滅的主因。

註三:封土即墳丘,是帝王陵墓的專用詞,普通百姓的墳丘不稱封土。封土具有保護墓室、標明位置的作用。

註四:《釋名・ 釋宮室》:「觀,觀也,於上觀望也。」《古今注》:「闕,觀也… 其上可居,登之則可遠觀,故謂之觀。」

註五:帝王陵寢安放死者棺槨之處。

註六:定陵為明朝第十三位皇帝神宗朱翊鈞(年號萬曆)及其孝端顯皇后、孝靖太后的合葬陵,1956年中國考古學家獲國務院批准進行發掘,歷時一年多,出土隨葬物品三千餘件,但由於當時人們文物保護意識不强,發掘技術落後,使得定陵出土文物僅能存放於普通庫房,大量絲織品也在未能獲得及時有效保護下瞬間灰飛煙滅。文化大革命期間,明神宗及其兩位皇后的屍骨、畫像、資料更遭到紅衛兵抬到定陵博物館重門前廣場批鬥、焚毀。

註七:兵馬俑表面彩繪由生漆(褐色)、礦物顏料和膠料三種物質組成,其中膠料起著調和固定、分散顏料的關鍵作用。長期埋藏過程使得膠料流失嚴重,以至於出土時膠料已難將彩繪顏料貼附於秦俑本體上。因此膠料的流失是彩繪脫落的重要原因。

 

參考資料:
2021 12. 17 Ian Randall. Peering inside the first Emperor of China's secret chamber: Scientists will use cosmic rays to reveal artefacts hidden in tomb guarded by the Terracotta Army — said to include deadly traps, an ancient map and mercury rivers. Daily Mail網站新聞
2006    段清波,〈秦始皇陵封土建築探討 – 兼釋”中成觀游”〉,《考古》2006年第5期。
2003    段清波、張穎嵐,〈秦始皇帝陵的外藏系統〉,《考古》2003年第11期。
1999    張占民,〈秦始皇陵地宮探秘〉,《文博》1999年第2期。
2014    秦始皇帝陵博物館,〈西安市秦始皇帝陵〉,《考古》2014年第7期。
2016    岳南,《復活的軍團:秦始皇陵兵馬俑發現之謎》。台北:遠流出版社。
2010    中國社會科學院考古學研究所(編著),《中國考古學 – 秦漢卷》。北京:中國社會科學出版社。
2012    孫偉剛,〈秦始皇帝陵北部西側建築遺址的性質及相關問題〉,《考古》2012年第6期。
2005    朱君孝、宋遠茹,〈試論秦始皇兵馬俑的工藝技術探源〉,《考古與文物》2005年第2期。

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