文科出身的考古学生如何入门科技分析方法 | 基础
写在前面：
这学期上了一门金属与陶瓷分析的课，从过去我上科技考古类课程的经验来说，这样的课程对于我这个文科出身的人来说理解还是比较困难的，而且学完之后往往还是处于不知其然也不知其所以然的状态。但这门课给我的实际的体验完全不同，不是说内容变得简单了，而是老师的课程设计让我这样传统考古出身的人也能容易地理解科技分析方法，并且清楚地知道该如何选择合适的手段去解决问题。其课程设计的关键点就在于老师对于“操作链 Chaîne opératoire” 这一概念的灵活应用。
所以这期推送主要是想分享一下课上学到的东西，内容主要会分为两个部分共三篇推送，第一篇推送讲述一些基本概念，附送一个简要的科技分析手段测评或者说挑选指南，通过总结各种技术手段的使用难度、耗时耗力、精度、分析结果等特征，来帮助大家迅速了解不同手段的优势和劣势，挑选符合自己研究需求的分析方法。后两篇推送分别聚焦陶器和金属，展示如何从分析操作链开始，面对自己手上的考古材料提出问题，然后如何选择合适的科技方法来解决问题。
这一系列推送的内容都来自于Matthew Chastain博士的课程“Investigating Ancient Materials”课程笔记，已获得他的授权刊发在本公众号。由于是课程笔记，在我记录时难免会出现理解错误或记录不全的情况，如果推送中有什么错漏的地方，与老师无关。
I took a course about analyzing ancient metal and ceramics this semester. Based on my previous experiences, this kind of course should be challenging for liberal art students like me to understand. Usually, nothing was left in my memories after the final exam. However, the experience of this course is totally different. I didn't mean the content is simplified, but the design of the class makes it easier for our "traditional archaeologists" to understand the analyzing methods quickly and know clearly how to choose the appropriate techniques to solve archaeological questions. The key idea of this course is the application of the concept "Chaîne opératoire" throughout the whole research.
Therefore, I wanna share what I learned from the course in the following three articles. In the first one, I'll introduce some basic concepts, together with a summary of characteristics of common techniques, or I called a guidebook for choosing. With the summaries of features like accessibility, cost and time, accuracy, types of results, etc., you can quickly learn about the cons and pros of different techniques to pick up the most applicable one for your research. The following two articles would be about how to start the research of ceramics and metals respectively. They will show how to analyze the Chaîne opératoire and clarify the questions derived from our archaeological data, then I'll write about how to choose the appropriate scientific techniques to get answers.
The contents of these articles are based on the notes of Dr. Matthew Chastain's class Investigating Ancient Materials. He kindly authorized me to share the Chinese version on this official account. Since this article is based on my class notes, it is inevitable that there will be misunderstandings or incomplete records when I noted it. If there are any mistakes or omissions in these articles, it has nothing to do with Dr. Chastin.
一、入门目标 Targets
我个人一直认为科技考古不该成为一个单独的分支学科，这样的命名人为地割裂了考古学者和科技方法的联系。所有的考古学者都应该了解并能够应用与自己研究相关的科技手段，正如所有参与考古学研究的科学家都应该理解自己通过科技手段所得的检测结果具有什么样的考古学含义。
然而科技手段的原理并不是那么容易理解的，很多考古学者在应用科技手段的时候都处于知其然而不知其所以然的境况，只知道有某种手段可以用，但从提供样本到输出结果之间的环节，则完全不理解如何运作。我们投入自己的样本，然后收获一堆数据，这就是所谓的科技黑箱（Science Black Box）或者黑匣子。对其运作机制的不了解，使得所谓的科技考古成为了某种新的科学迷信。另一方面，一部分人过高地估计了它的难度从而产生抗拒，一部分人则因为运作机制的不透明而对之抱持怀疑的态度。
想要打破黑箱，仿佛就只有从高中物理化学开始从头学起这一条路。但事实上，我们不可能，也没必要花费大量的精力以求达到自然科学学者的水平。要懂科技原理，但是又不必太过深入，如何获得这样够用即可的平衡，就是我在这节课上一直在思考的事情。
对科技手段在考古中的应用，我感受到的有三个阶段：
第一是入门，了解有从考古材料中会延伸出哪些问题，对应可以解决这些问题的有哪些方法。这一阶段还处于照本宣科的时期，不必太了解背后的科学原理，只要知道用什么，怎么用，怎么释读分析结果就可以了
第二是部分打破黑匣子，了解技术手段背后的原理，知道不同方法的差异，各自的优势和局限所在，进而深度解读分析结果，并根据自己的材料和问题，调整所用的方法。
第三则是参与方法设计与创新，使之更适应考古学的需求，专为解读考古学材料而服务。
我在这门课上学到的内容，大概就在阶段一以上，接近阶段二的程度，但是这篇推送并不会太深入地讲各种科技方法的原理，而是落脚于以操作链的思路来寻找研究问题和分析手段的对接点，借助这一理论的思维模式来完成对科技方法的快速入门。但是对于有志于利用科技手段来完成自己研究的考古学者，我认为阶段二是一个应当追求的目标。
二、一些基础概念 Basic Concepts
1 材料范式 Material Paradigm
材料范式指的是材料科学中四个基础要素之间的关系：加工（Process）、结构（Structure）、性质（Property）、性能（Perfomance）。加工泛指所有施加在材料或者原料上人类行为，可以是矿石提纯，也可以是陶土中加入羼和物，加热或煅烧等过程。
材料所受的加工决定了材料本身的结构，也就是内部成分的构成方式，而结构又决定了材料自身的性质。性质就是材料被施加外力（比如电、热、磁、机械力等）时的自身反应，如导电性、导热性、韧性或硬度等。性质是可以被量化的，因而可以较好地帮助我们进行材料间的对比。最后就是材料性质被用于满足人类的需求时，所展现出来的就是性能，比如硬度为金属提供锋利度，导热性让夹砂陶成为良好的烹饪器具等。只有部分性质会用于提供人类所需的性能，所以在分析材料的时候要知道哪些性质是需要注意的。
2 结构 Structure
材料的结构与它的内部成分以及物质的排列有关，按照大小可以把结构分为4个层次，第一个层次为亚原子结构（Subatomic Structure)，包括电子和原子核及其相互作用。第二个层次为原子结构（Atomic Structure），包括原子或相应的分子相互的排列。第三个则是微观结构（Microstructure），即可以通过显微镜进行观测的，由原子团簇在一起构成的结构。第四个也就是最大的是宏观结构（Macrostructure），也就是肉眼可见的结构（摘自《材料科学与工程基础》第五版）。
以陶器为例，宏观结构就是肉眼可见的夹砂陶与泥质陶的区别，微观结构则可见夹砂陶的黏土矿物（clay）中交杂有较大的石英、云母等颗粒，而泥质陶中则较少或没有这些颗粒。从原子结构来看，作为羼和物的石英与云母都是晶体结构，但是原子组成晶体的排列方式不同，前者是四面体，后者是片状。从亚原子结构层面来看，则是关注构成这些粘土或者羼和物的不同元素或者同一元素的同位素。
我们要了解材料的结构，是因为我们所使用不同的分析手段是作用于不同层次的结构上的。要解答一件陶器是夹砂陶还是泥质陶，只需要从宏观或微观层面上就能看出差别了。但是要知道两件夹砂陶所用羼和物的差异，或是陶土的成分差异，则还需要结合能够进行原子和亚原子结构层次上分析的手段。
3 操作链 Chaîne opératoire
操作链 Chaîne opératoire应该是一个大家都比较熟悉的概念，每一位旧石器考古课的老师都必然会提到。这个理论起源于对石器加工技术的分析，之后延伸到更广泛的领域，用于分析一件物品从原料获取开始，到加工，使用，废弃的整个生产和使用过程。其重要之处是重现了遗物的整个生命周期，将静态的遗物放在一个动态的生产和使用过程中，以方便我们理解与这件遗物有关的人类行为。操作链理论可以用于石器，也可以用于金属器、陶瓷、漆器、骨器等。我无意在这里讲太多理论，感兴趣的人可以看这两篇文章了解一下操作链理论的实际应用：
《石器研究的新视角——技术－功能分析法，以观音洞遗址为例》
《操作链理论与陶器制作技术研究》
正如我在前面所说，操作链提供了一种思路，让我们反思和一件遗物相关的，从寻找原料开始到废弃为止的所有人类行为，从中确定我们要对这件遗物所要提出的问题，比如原料的来源，加工的过程，使用方式等。这些问题或多或少，最终都会与材料的性质相关联，而材料的性质又与其结构相关。寻找可以分析对应结构的技术手段，就可以用于解决我们所提出的问题了。但是也要注意，技术手段并不能提供我们想知道的所有答案，了解技术手段能被用于解决什么问题，有什么样的限制，也是学习中重要的一部分。这样的解释比较抽象，所以之后两篇推送会以陶器和金属为例，来展现如何应用操作链的思维开展我们的入门学习。
三、如何测评一个科技分析手段
一般来说要达成某个研究目的，有多种手段可以从中选择。如何综合考量某个方法的特点，选择最适合自己研究的一个呢？一般来说可以参考以下几点：
1 费用以及所耗时间 Cost；time
这两点最为现实，有时候分析结果不是精度越高越好，也要考虑自己的研究经费和花费时间。
2 检测限 Limit of detection
在结果具有统计学意义(如置信水平95%)的前提下，某一分析方法在可以从样品中检测待测物质的最小浓度或最小量。常见的单位有ppm浓度（parts per million），即溶质质量占全部溶液质量的百万分比来表示的浓度，也称百万分比浓度。与之相似的还有ppb（parts per billion），在溶液中是用溶质质量占全部溶液质量的十亿分比来表示的浓度，也称十亿分比浓度。
3 准确度Accuracy与精确度 Precision；重现性Repeatability
准确度是每一次独立的测量之间，其平均值与已知的数据真值之间的差距（与理论值相符合的程度）。精确度则是当实验数据很精准时，会要求实验有高度的再现性，表示实验数据是可信的，也就是实验数据需要具有高精密度（多次量度或计算的结果的一致程度）。
精确度高，说明实验的结果间差异不大，重现性repeatability好，但它的结果也可能是不准确的。同样的，准确度高说明测试结果更接近真实值，但其重现性却未必好。
4 分析结果 Results
不同方法所获取的信息也是不同的，有的是元素含量，有的是比率，有的是需要校正和转换成我们所需数据的光谱。此外，分析结果可能是半定量的（semiquantitative），也就是不同元素在样品中的占比，只有相对多少而没有绝对值，无法与其他的检测结果进行比较。也可能是定量的（quantitative），其结果中元素含量是有绝对数值的，可与别的检测结果进行比较。
5 测量方式 Measurement type (surface vs. bulk; targeted)
有bulk technique和surface techinique两种，我不太确定中文对应什么词。Surface technique是指可以之间检测样品经处理后的表面的方法，比如XRF。Bulk technique则是指样品需要被磨成粉末后再检测的方法，比如NAA。此外，一些方法只能检测样品的整个表面（Surface），而有的则可以选择其中的某个区域单独进行检测（Targeted），比如SEM-EDS。
6 取样方式Sampling (destructive; in situ analysis)
一些方法的取样过程是破坏性的，需要切割遗物的一部分并进行打磨或是制片等处理（destructive），因此需要带回实验室加工。另一些则不需要，可以直接在发掘现场进行检测（in situ）。
7 易操作性Accessibility (DIY vs. send to professional lab)
考虑到取样工序的复杂程度，仪器的体积，仪器的价格等因素，一部分的方法是可以自己买仪器自己做检测（DIY），另一部分则需要送到专业的实验室请人帮忙做的（send to professional lab）。
8 便携性Portability
也是与所需仪器相关的因素，部分方法有手持仪器可用，如pXRF(portable XRF)，因而可以随时使用。另一部分则因为体积过大，只能放在实验室。