對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 陜西 西安 710018

1 十七世紀透明玻璃的出現(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，這導致了玻璃的發(fā)明。16世紀末意大利工匠制作玻璃的技術日臻成熟，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傳入德國、英國等地，進而使無色透明玻璃在西歐地區(qū)得以率先普及。1615年英國用煤炭取代木柴作熔制玻璃的燃料，1675年英國人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)明了望遠鏡。1609年意大利的伽利略利用天文望遠鏡對太空進行了天文觀察，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)繞地球運轉的地心說，促進了近代天文學的發(fā)展[1]。

玻璃材料的顯微鏡和望遠鏡的發(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。遙遠的天體變?yōu)椤敖阱氤摺?，微生物、細胞變?yōu)榍逦梢?。人們的認知隨之拓展，打開了物體表象之下的知識秘藏，一些神秘的自然現(xiàn)象得到科學的解釋，人們不再迷信神靈。透明玻璃在17世紀（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、數(shù)學和醫(yī)學等自然學科得到全面發(fā)展，實現(xiàn)了對東方的反超。

2 玻璃在發(fā)明蒸汽機過程中的必要作用

2.1 早期的蒸汽機利用大氣壓做功

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

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

2.2 玻璃在認識大氣壓和真空知識中的關鍵作用

2.2.1 透明玻璃幫助人類認識了大氣壓及真空。人們在日常礦井的抽水過程中發(fā)現(xiàn)不能將水提升超過10m左右。1643年托里拆利改進實驗，將裝滿水銀且頂端封閉的長玻璃管倒立在水銀槽中，演示驗證了大氣壓的存在并發(fā)現(xiàn)了真空，這激起了人們對真空和大氣壓的研究興趣。人們自此開始嘗試利用大氣壓做功。丹尼斯.帕潘在作為玻意耳的助手時，應是借鑒了玻意耳研究氣體壓強特性時使用的玻璃管和活塞（或他作為惠更斯助手時使用的真空泵）的原型，將玻璃管替換為金屬氣缸，構想并發(fā)表了金屬氣缸和活塞的蒸汽機模型。并在此基礎上由塞維利、紐科門、瓦特等人經(jīng)過近百年的逐步改進，最終研制出了工業(yè)用蒸汽機。

2.2.2 玻璃在人類認識大氣壓、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驗中使用了玻璃管，因為玻璃的透明性和易做成管狀的特性使人們可以直觀地觀察和認識到大氣壓和真空的存在。玻璃的這種特性使其在這個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。同時玻璃的這些特性也利于研究氣體、液體壓強特性。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的關系并發(fā)表了玻意耳定律，使人類對氣體體積及其壓強和溫度三者的關系有了初步認識。增進了人們對蒸汽，真空，大氣壓及其相互作用的知識積累。這些知識為早期的利用大氣壓工作的蒸汽機打下必要的理論基礎。

這個時期玻意耳使用玻璃真空泵對真空展開研究，也為后期的電燈泡和電子管的發(fā)明做出了知識和技術儲備。

3 玻璃儀器的演進對西方科技起到引領作用

3.1 使用透明玻璃器皿對氣體展開研究使化學學科實現(xiàn)突破

因化學反應中常見氣體，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，使我們不易對這些氣體進行觀察和研究。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，實現(xiàn)相對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部液面漲落情況來獲知氣體的產(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汞及其氧化物展開研究，發(fā)現(xiàn)了氧氣，并對其進行了研究分析，進而建立了氧化學說，認為燃燒的本質是物體與氧的化合，否定了認為物質燃燒是因物質含有燃素的燃素說。

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清，使進一步弄清其中溶質的成分成為可能。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 玻璃材料在建筑設計中的應用

作為一種建筑材料，玻璃的最大優(yōu)點在于它的透明性。雖然玻璃將室內和室外分開，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。隨著科學技術的發(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。他認為色彩斑斕的玻璃可以給設計師帶來靈感和無盡的遐想，自由創(chuàng)作。玻璃材料具有超強的可塑性，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。平面與空間的結合與形成可以產(chǎn)生難以想象的效果。通過研究玻璃的內部結構，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空間視線的連續(xù)性。用玻璃材質分隔空間，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)，結構材料的創(chuàng)新；一種新的形式，一種新的表演形式，是藝術層面上的創(chuàng)新。玻璃不僅實現(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人心的情感心理體驗；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，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)學中的應用

顯微鏡的應用使微生物的研究得以開展，讓人類對傳染病有了正確認知，知曉了細胞分裂及遺傳物質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)學科技得到極大的進步。顯微鏡在生物學和醫(yī)學領域使用廣泛。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)學的高速發(fā)展，生物樣本的觀察已經(jīng)達到納米級，甚至更微觀的水平。這對顯微鏡的分辨率提出了更高的要求。隨著現(xiàn)代科學技術的迅速發(fā)展，一些采用高科技的新型顯微鏡應運而生。同時，通過傳統(tǒng)光學顯微鏡與現(xiàn)代高新技術相結合之后，現(xiàn)代顯微鏡的性能也出現(xiàn)了較大的改善。在3個世紀以前，荷蘭科學家Antonivan Leeuwenhoek就將其發(fā)明的光學顯微鏡應用于原生動物、細菌，以及細胞和血管的觀察研究中，極大地提高了人們對于微觀世界的認知水平。數(shù)百年來的歷史發(fā)展進程中，光學顯微鏡在生物醫(yī)學等各個領域都起到了關鍵作用，推動了這些領域的快速發(fā)展, 至今仍在各個領域廣泛應用。

3.4 玻璃儀器對近代科技及量子力學、相對論研究的貢獻

①玻璃材料的萊頓瓶和驗電器使人類認識到電荷有正（+）負（-）兩種，及其在金屬中具有傳導性。②伏特借助化學知識在1800年發(fā)明了化學電源電堆（電池組），讓科學家擁有了持久的電流源，使得電化學和電磁場理論研究得以開展。③在前期使用真空泵對真空展開研究的基礎上，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習時間。④1887年利用多個玻璃光學儀器（分光鏡、反射鏡）的邁克耳孫－莫雷實驗發(fā)現(xiàn)了光速不變現(xiàn)象，成為愛因斯坦創(chuàng)立狹義相對論的基本出發(fā)點之一。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放射性的發(fā)現(xiàn)。⑥隨著對玻璃電子管的進一步改進，研制出了光電管，利用光電管對光電效應研究時，發(fā)現(xiàn)光電子的能量只與入射光的頻率有關且入射光的頻率低于截止頻率時不發(fā)生光電效應，這一不同尋常的現(xiàn)象促使人們發(fā)展出了量子理論。⑦隨著化學知識的進一步積累，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)明和實現(xiàn)。以上這些奠定當今世界格局的重要研究成果均離不開玻璃這種關鍵材料。⑧玻璃材料的蓋革－米勒計數(shù)管使人類檢測射線和探測輻射的強弱更加的方便 。

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

4 玻璃材料對科技發(fā)展的促進

中國有悠久的歷史，燦爛的文化，更有為人類發(fā)展做出巨大貢獻的四大發(fā)明?；鹚幖爸改厢樀陌l(fā)明讓我國祖先可以守護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的研究。17世紀西方率先發(fā)明并普及了透明玻璃材料。首先玻璃材料的天文望遠鏡和顯微鏡被發(fā)明，仿佛使西方擁有了特權一樣，可以使遙遠的天體和微生物及細胞變?yōu)榭梢姴⒖蓪ζ溲芯?。玻璃的透明性和易塑性讓他也非常適合用來混合化學物質，并觀察其反應過程和結果。同時天文學的發(fā)展又帶動了物理學的力學及萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)。并且隨著對大氣壓和真空及氣體壓強特性研究的深入，激起了人們研制利用大氣壓做功的機器的熱情，并經(jīng)過近百年的不斷升級，最終改進出引發(fā)工業(yè)革命的蒸汽機，進而引發(fā)了工業(yè)革命。同時機械、交通工具等的大發(fā)展也對物理、數(shù)學知識起到推動作用。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的發(fā)展史。隨著時代和科技的進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)品的整體品質也有了很大的提升?，F(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。玻璃材料對于環(huán)保和節(jié)能減排具有非常重要的意義。

中國已經(jīng)計劃在2030年之前達到碳排放峰值，并在2060年之前實現(xiàn)碳中和以協(xié)調和保護全球氣候。這一目標的實現(xiàn)，需要能源消費端和能源供應端減少對化石能源的依賴。玻璃工業(yè)在實現(xiàn)碳中和目標方面發(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。在能源供應方面，玻璃也是支持光伏、風電、核電等清潔能源發(fā)展的重要材料。因此，玻璃材料將為中國的碳中和做出更大的貢獻。