對(duì)透明玻璃材料與近代科技落伍原因的思考

張宇楊

西安中學(xué) 陜西 西安 710018

1 十七世紀(jì)透明玻璃的出現(xiàn)助西方科技崛起

古羅馬人偶然發(fā)現(xiàn)使用泡堿，一種天然生成的碳酸鈉，可以使制作玻璃的溫度降低許多，這導(dǎo)致了玻璃的發(fā)明。16世紀(jì)末意大利工匠制作玻璃的技術(shù)日臻成熟，逐步熟練掌握了玻璃的批量制造和吹制工藝，純凈度、透光性也越來越高。隨后無色透明玻璃的制作技術(shù)傳入德國(guó)、英國(guó)等地，進(jìn)而使無色透明玻璃在西歐地區(qū)得以率先普及。1615年英國(guó)用煤炭取代木柴作熔制玻璃的燃料，1675年英國(guó)人George Ravenscroft發(fā)明了透光性，折射率更高的鉛玻璃。由于透明玻璃的普及，首先由眼鏡店老板發(fā)明了望遠(yuǎn)鏡。1609年意大利的伽利略利用天文望遠(yuǎn)鏡對(duì)太空進(jìn)行了天文觀察，發(fā)現(xiàn)了木星也有自己的衛(wèi)星，從而否定了以往宗教宣講的所有天體都環(huán)繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)的地心說，促進(jìn)了近代天文學(xué)的發(fā)展[1]。

玻璃材料的顯微鏡和望遠(yuǎn)鏡的發(fā)明使人類看見了正常視覺能力之外的微觀世界和宏觀世界。遙遠(yuǎn)的天體變?yōu)椤敖阱氤摺?，微生物、?xì)胞變?yōu)榍逦梢?。人們的認(rèn)知隨之拓展，打開了物體表象之下的知識(shí)秘藏，一些神秘的自然現(xiàn)象得到科學(xué)的解釋，人們不再迷信神靈。透明玻璃在17世紀(jì)（明末清初）像一劑催化劑促發(fā)了西方的科技大爆發(fā)，天文、生物、物理、化學(xué)、數(shù)學(xué)和醫(yī)學(xué)等自然學(xué)科得到全面發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了對(duì)東方的反超。

2 玻璃在發(fā)明蒸汽機(jī)過程中的必要作用

2.1 早期的蒸汽機(jī)利用大氣壓做功

第一次工業(yè)革命的標(biāo)志性發(fā)明蒸汽機(jī)，它是由瓦特在前人的基礎(chǔ)上逐步改進(jìn)完成的。先有丹尼斯·帕潘在作為玻意耳的助手期間，在1690年構(gòu)想并發(fā)表了金屬氣缸和活塞的蒸汽機(jī)模型，其工作原理是在氣缸內(nèi)充入少量水，加熱形成蒸汽推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)，再冷卻氣缸，蒸汽遇冷變?yōu)樗?，在氣缸?nèi)形成部分真空，外部大氣壓推動(dòng)活塞回位，實(shí)現(xiàn)活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

1769年瓦特改進(jìn)紐科門的大氣式蒸汽機(jī)，將氣缸的冷凝過程獨(dú)立出來，取得了帶有分離冷凝器的蒸汽機(jī)專利，提高了熱效率。1782年瓦特再次改進(jìn)蒸汽機(jī)將活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)均由蒸汽推動(dòng)。至此完成了真正的工業(yè)萬能機(jī)－蒸汽機(jī)的發(fā)明。

2.2 玻璃在認(rèn)識(shí)大氣壓和真空知識(shí)中的關(guān)鍵作用

2.2.1 透明玻璃幫助人類認(rèn)識(shí)了大氣壓及真空。人們?cè)谌粘５V井的抽水過程中發(fā)現(xiàn)不能將水提升超過10m左右。1643年托里拆利改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，將裝滿水銀且頂端封閉的長(zhǎng)玻璃管倒立在水銀槽中，演示驗(yàn)證了大氣壓的存在并發(fā)現(xiàn)了真空，這激起了人們對(duì)真空和大氣壓的研究興趣。人們自此開始嘗試?yán)么髿鈮鹤龉?。丹尼?帕潘在作為玻意耳的助手時(shí)，應(yīng)是借鑒了玻意耳研究氣體壓強(qiáng)特性時(shí)使用的玻璃管和活塞（或他作為惠更斯助手時(shí)使用的真空泵）的原型，將玻璃管替換為金屬氣缸，構(gòu)想并發(fā)表了金屬氣缸和活塞的蒸汽機(jī)模型。并在此基礎(chǔ)上由塞維利、紐科門、瓦特等人經(jīng)過近百年的逐步改進(jìn)，最終研制出了工業(yè)用蒸汽機(jī)。

2.2.2 玻璃在人類認(rèn)識(shí)大氣壓、真空過程中的不可被替代性。在演示大氣壓和真空存在的實(shí)驗(yàn)中使用了玻璃管，因?yàn)椴ＡУ耐该餍院鸵鬃龀晒軤畹奶匦允谷藗兛梢灾庇^地觀察和認(rèn)識(shí)到大氣壓和真空的存在。玻璃的這種特性使其在這個(gè)過程中具有其他材料不可替代性。真空泵的透明玻璃球體同樣也離不開玻璃這種材料。同時(shí)玻璃的這些特性也利于研究氣體、液體壓強(qiáng)特性。在1662年玻意耳使用U型玻璃管和水銀（做密閉活塞）演示了氣體體積與所受壓強(qiáng)的關(guān)系并發(fā)表了玻意耳定律，使人類對(duì)氣體體積及其壓強(qiáng)和溫度三者的關(guān)系有了初步認(rèn)識(shí)。增進(jìn)了人們對(duì)蒸汽，真空，大氣壓及其相互作用的知識(shí)積累。這些知識(shí)為早期的利用大氣壓工作的蒸汽機(jī)打下必要的理論基礎(chǔ)。

這個(gè)時(shí)期玻意耳使用玻璃真空泵對(duì)真空展開研究，也為后期的電燈泡和電子管的發(fā)明做出了知識(shí)和技術(shù)儲(chǔ)備。

3 玻璃儀器的演進(jìn)對(duì)西方科技起到引領(lǐng)作用

3.1 使用透明玻璃器皿對(duì)氣體展開研究使化學(xué)學(xué)科實(shí)現(xiàn)突破

因化學(xué)反應(yīng)中常見氣體，例如氧氣、二氧化碳、一氧化碳、氫氣等均無色透明，而且我們的生活環(huán)境中空氣無處不在，使我們不易對(duì)這些氣體進(jìn)行觀察和研究。但透明玻璃的出現(xiàn)，使人類探索出了將玻璃容器倒扣在液體中，實(shí)現(xiàn)相對(duì)密閉且不受空氣影響的小環(huán)境，再通過透明玻璃壁觀察其內(nèi)部液面漲落情況來獲知?dú)怏w的產(chǎn)生、消耗及存在。借助這一方法1774年拉瓦錫使用曲頸甑和玻璃鐘罩對(duì)汞及其氧化物展開研究，發(fā)現(xiàn)了氧氣，并對(duì)其進(jìn)行了研究分析，進(jìn)而建立了氧化學(xué)說，認(rèn)為燃燒的本質(zhì)是物體與氧的化合，否定了認(rèn)為物質(zhì)燃燒是因物質(zhì)含有燃素的燃素說。

由于氧氣被發(fā)現(xiàn)，受到啟發(fā)后氫氣很快地被發(fā)現(xiàn)，并且在此基礎(chǔ)上拉瓦錫證明了水是由氫氣和氧氣按2比1體積化合而成。水這種最常用的溶劑成分被認(rèn)清，使進(jìn)一步弄清其中溶質(zhì)的成分成為可能。玻璃材料在此過程中，因其具有其他相近材料，例陶瓷、金屬等材料沒有的透明性，使其在此環(huán)節(jié)中具有不可被替代的地位。

3.2 玻璃材料在建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

作為一種建筑材料，玻璃的最大優(yōu)點(diǎn)在于它的透明性。雖然玻璃將室內(nèi)和室外分開，但它的透明效果完美地起到了過渡作用。這樣，它不僅擴(kuò)大了人們的視野，而且縮短了黑暗中世界之間的距離。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，玻璃可以制成各種顏色。彩色玻璃在光的作用下會(huì)給人視覺上的巨大愉悅。戴爾·奇胡利是來自意大利的杰出建筑師和雕塑家。他認(rèn)為色彩斑斕的玻璃可以給設(shè)計(jì)師帶來靈感和無盡的遐想，自由創(chuàng)作。玻璃材料具有超強(qiáng)的可塑性，通過熔煉、模具、玻璃吹制成型，可加工成正方形、矩形、三角形、圓形、橢圓形、飛機(jī)等自由形狀;它還可以加工成平面、雙曲線和球面空間形狀。平面與空間的結(jié)合與形成可以產(chǎn)生難以想象的效果。通過研究玻璃的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，我們可以知道，組成玻璃的分子之間的間隙非常小，所以它可以有效地阻隔噪音。玻璃不僅能吸收，還能反射陽光中的輻射熱，有效降低建筑內(nèi)部溫度。玻璃材料的折射率可以利用光線改造空間，使建筑空間具有更豐富的層次感，并能劃分空間格局但不影響室內(nèi)空間視線的連續(xù)性。用玻璃材質(zhì)分隔空間，讓空間更有層次感，也能形成小的隱藏空間。這樣既不會(huì)破壞原有的空間完整性，又能豐富空間的層次感。例如在建筑空間中，利用立體玻璃形成小空間，使單一的建筑空間衍生出子空間，再通過玻璃材料的通透性，將大空間和小空間完美統(tǒng)一，使整體空間不受破壞，豐富了建筑空間的層次感。這種用光改造空間的方式適用于透光性強(qiáng)的玻璃，如透明玻璃、磨砂玻璃等[2]。玻璃本身就是一種創(chuàng)新。新功能的出現(xiàn)，結(jié)構(gòu)材料的創(chuàng)新；一種新的形式，一種新的表演形式，是藝術(shù)層面上的創(chuàng)新。玻璃不僅實(shí)現(xiàn)了人與外界的完美過渡，還在一定程度上為人類節(jié)省了能量，包括情感本能和激動(dòng)人心的情感心理體驗(yàn)；也可以使用分隔空間。如今，玻璃已經(jīng)成功地融入建筑和景觀系統(tǒng)中，玻璃的加入也給建筑和景觀藝術(shù)帶來了翻天覆地的變化。不同的玻璃材料有不同的功能，從而給人不同的視覺體驗(yàn)，是人類建筑和景觀體系不可分割的一部分。

3.3 玻璃材料在近代生物、醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

顯微鏡的應(yīng)用使微生物的研究得以開展，讓人類對(duì)傳染病有了正確認(rèn)知，知曉了細(xì)胞分裂及遺傳物質(zhì)DNA。在1928年拯救無數(shù)人生命的青霉素被發(fā)明，使現(xiàn)代醫(yī)學(xué)科技得到極大的進(jìn)步。顯微鏡在生物學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域使用廣泛。它是我們理解微觀世界，研究微觀世界的工具。隨著現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)的高速發(fā)展，生物樣本的觀察已經(jīng)達(dá)到納米級(jí)，甚至更微觀的水平。這對(duì)顯微鏡的分辨率提出了更高的要求。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，一些采用高科技的新型顯微鏡應(yīng)運(yùn)而生。同時(shí)，通過傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡與現(xiàn)代高新技術(shù)相結(jié)合之后，現(xiàn)代顯微鏡的性能也出現(xiàn)了較大的改善。在3個(gè)世紀(jì)以前，荷蘭科學(xué)家Antonivan Leeuwenhoek就將其發(fā)明的光學(xué)顯微鏡應(yīng)用于原生動(dòng)物、細(xì)菌，以及細(xì)胞和血管的觀察研究中，極大地提高了人們對(duì)于微觀世界的認(rèn)知水平。數(shù)百年來的歷史發(fā)展進(jìn)程中，光學(xué)顯微鏡在生物醫(yī)學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域都起到了關(guān)鍵作用，推動(dòng)了這些領(lǐng)域的快速發(fā)展, 至今仍在各個(gè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

3.4 玻璃儀器對(duì)近代科技及量子力學(xué)、相對(duì)論研究的貢獻(xiàn)

①玻璃材料的萊頓瓶和驗(yàn)電器使人類認(rèn)識(shí)到電荷有正（+）負(fù)（-）兩種，及其在金屬中具有傳導(dǎo)性。②伏特借助化學(xué)知識(shí)在1800年發(fā)明了化學(xué)電源電堆（電池組），讓科學(xué)家擁有了持久的電流源，使得電化學(xué)和電磁場(chǎng)理論研究得以開展。③在前期使用真空泵對(duì)真空展開研究的基礎(chǔ)上，愛迪生在1879年發(fā)明了玻璃燈泡，改變了我們夜間的生活方式，使我們有了更多的工作和學(xué)習(xí)時(shí)間。④1887年利用多個(gè)玻璃光學(xué)儀器（分光鏡、反射鏡）的邁克耳孫－莫雷實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了光速不變現(xiàn)象，成為愛因斯坦創(chuàng)立狹義相對(duì)論的基本出發(fā)點(diǎn)之一。⑤1895年倫琴使用真空玻璃電子管發(fā)現(xiàn)了X射線。這一發(fā)現(xiàn)也間接地影響了人類對(duì)放射性的發(fā)現(xiàn)。⑥隨著對(duì)玻璃電子管的進(jìn)一步改進(jìn)，研制出了光電管，利用光電管對(duì)光電效應(yīng)研究時(shí)，發(fā)現(xiàn)光電子的能量只與入射光的頻率有關(guān)且入射光的頻率低于截止頻率時(shí)不發(fā)生光電效應(yīng)，這一不同尋常的現(xiàn)象促使人們發(fā)展出了量子理論。⑦隨著化學(xué)知識(shí)的進(jìn)一步積累，門捷列夫的元素周期表，諾貝爾的炸藥，以及居里夫婦的放射性元素的提取等成果得以發(fā)明和實(shí)現(xiàn)。以上這些奠定當(dāng)今世界格局的重要研究成果均離不開玻璃這種關(guān)鍵材料。⑧玻璃材料的蓋革－米勒計(jì)數(shù)管使人類檢測(cè)射線和探測(cè)輻射的強(qiáng)弱更加的方便 。

以上這些說明玻璃材料對(duì)人類近代科技的發(fā)展起到關(guān)鍵作用，不僅天文，生物學(xué)離不開天文望遠(yuǎn)鏡和顯微鏡，化學(xué)學(xué)科更是離不開各式玻璃器皿，近代物理學(xué)發(fā)展也是與玻璃儀器的演進(jìn)密切相關(guān)[3]。

4 玻璃材料對(duì)科技發(fā)展的促進(jìn)

中國(guó)有悠久的歷史，燦爛的文化，更有為人類發(fā)展做出巨大貢獻(xiàn)的四大發(fā)明?；鹚幖爸改厢樀陌l(fā)明讓我國(guó)祖先可以守護(hù)和管理較廣闊的地域，但由于近代透明玻璃材料的缺失阻礙了近代自然科學(xué)的研究。17世紀(jì)西方率先發(fā)明并普及了透明玻璃材料。首先玻璃材料的天文望遠(yuǎn)鏡和顯微鏡被發(fā)明，仿佛使西方擁有了特權(quán)一樣，可以使遙遠(yuǎn)的天體和微生物及細(xì)胞變?yōu)榭梢姴⒖蓪?duì)其研究。玻璃的透明性和易塑性讓他也非常適合用來混合化學(xué)物質(zhì)，并觀察其反應(yīng)過程和結(jié)果。同時(shí)天文學(xué)的發(fā)展又帶動(dòng)了物理學(xué)的力學(xué)及萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)。并且隨著對(duì)大氣壓和真空及氣體壓強(qiáng)特性研究的深入，激起了人們研制利用大氣壓做功的機(jī)器的熱情，并經(jīng)過近百年的不斷升級(jí)，最終改進(jìn)出引發(fā)工業(yè)革命的蒸汽機(jī)，進(jìn)而引發(fā)了工業(yè)革命。同時(shí)機(jī)械、交通工具等的大發(fā)展也對(duì)物理、數(shù)學(xué)知識(shí)起到推動(dòng)作用。所以縱觀以上西方近代科技發(fā)展史，可以說是一部伴隨玻璃儀器演進(jìn)的發(fā)展史。隨著時(shí)代和科技的進(jìn)步以及玻璃多元化的發(fā)展，玻璃材料已經(jīng)成為多樣化生活的重要組成部分。在近年來，深加工玻璃的種類和數(shù)量都出現(xiàn)了翻天覆地的變化，而玻璃材料產(chǎn)品的整體品質(zhì)也有了很大的提升。現(xiàn)階段，玻璃材料的發(fā)展正向著能源、材料、環(huán)保、信息、生物等方面前進(jìn)。玻璃材料對(duì)于環(huán)保和節(jié)能減排具有非常重要的意義。

中國(guó)已經(jīng)計(jì)劃在2030年之前達(dá)到碳排放峰值，并在2060年之前實(shí)現(xiàn)碳中和以協(xié)調(diào)和保護(hù)全球氣候。這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，需要能源消費(fèi)端和能源供應(yīng)端減少對(duì)化石能源的依賴。玻璃工業(yè)在實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)方面發(fā)揮著重要作用。通過更換燃料和原材料，提高能源效率，更多地使用回收玻璃，以及開發(fā)薄玻璃，玻璃行業(yè)可以釋放巨大的節(jié)能潛力。各種節(jié)能玻璃產(chǎn)品在能耗端將表現(xiàn)出更加明顯的節(jié)能效果。在能源供應(yīng)方面，玻璃也是支持光伏、風(fēng)電、核電等清潔能源發(fā)展的重要材料。因此，玻璃材料將為中國(guó)的碳中和做出更大的貢獻(xiàn)。