对透明玻璃材料与近代科技落伍原因的思考

张宇杨

西安中学 陕西 西安 710018

1 十七世纪透明玻璃的出现助西方科技崛起

古罗马人偶然发现使用泡碱，一种天然生成的碳酸钠，可以使制作玻璃的温度降低许多，这导致了玻璃的发明。16世纪末意大利工匠制作玻璃的技术日臻成熟，逐步熟练掌握了玻璃的批量制造和吹制工艺，纯净度、透光性也越来越高。随后无色透明玻璃的制作技术传入德国、英国等地，进而使无色透明玻璃在西欧地区得以率先普及。1615年英国用煤炭取代木柴作熔制玻璃的燃料，1675年英国人George Ravenscroft发明了透光性，折射率更高的铅玻璃。由于透明玻璃的普及，首先由眼镜店老板发明了望远镜。1609年意大利的伽利略利用天文望远镜对太空进行了天文观察，发现了木星也有自己的卫星，从而否定了以往宗教宣讲的所有天体都环绕地球运转的地心说，促进了近代天文学的发展[1]。

玻璃材料的显微镜和望远镜的发明使人类看见了正常视觉能力之外的微观世界和宏观世界。遥远的天体变为“近在咫尺”，微生物、细胞变为清晰可见。人们的认知随之拓展，打开了物体表象之下的知识秘藏，一些神秘的自然现象得到科学的解释，人们不再迷信神灵。透明玻璃在17世纪（明末清初）像一剂催化剂促发了西方的科技大爆发，天文、生物、物理、化学、数学和医学等自然学科得到全面发展，实现了对东方的反超。

2 玻璃在发明蒸汽机过程中的必要作用

2.1 早期的蒸汽机利用大气压做功

第一次工业革命的标志性发明蒸汽机，它是由瓦特在前人的基础上逐步改进完成的。先有丹尼斯·帕潘在作为玻意耳的助手期间，在1690年构想并发表了金属气缸和活塞的蒸汽机模型，其工作原理是在气缸内充入少量水，加热形成蒸汽推动活塞运动，再冷却气缸，蒸汽遇冷变为水，在气缸内形成部分真空，外部大气压推动活塞回位，实现活塞往复运动。

1769年瓦特改进纽科门的大气式蒸汽机，将气缸的冷凝过程独立出来，取得了带有分离冷凝器的蒸汽机专利，提高了热效率。1782年瓦特再次改进蒸汽机将活塞的往复运动均由蒸汽推动。至此完成了真正的工业万能机－蒸汽机的发明。

2.2 玻璃在认识大气压和真空知识中的关键作用

2.2.1 透明玻璃帮助人类认识了大气压及真空。人们在日常矿井的抽水过程中发现不能将水提升超过10m左右。1643年托里拆利改进实验，将装满水银且顶端封闭的长玻璃管倒立在水银槽中，演示验证了大气压的存在并发现了真空，这激起了人们对真空和大气压的研究兴趣。人们自此开始尝试利用大气压做功。丹尼斯.帕潘在作为玻意耳的助手时，应是借鉴了玻意耳研究气体压强特性时使用的玻璃管和活塞（或他作为惠更斯助手时使用的真空泵）的原型，将玻璃管替换为金属气缸，构想并发表了金属气缸和活塞的蒸汽机模型。并在此基础上由塞维利、纽科门、瓦特等人经过近百年的逐步改进，最终研制出了工业用蒸汽机。

2.2.2 玻璃在人类认识大气压、真空过程中的不可被替代性。在演示大气压和真空存在的实验中使用了玻璃管，因为玻璃的透明性和易做成管状的特性使人们可以直观地观察和认识到大气压和真空的存在。玻璃的这种特性使其在这个过程中具有其他材料不可替代性。真空泵的透明玻璃球体同样也离不开玻璃这种材料。同时玻璃的这些特性也利于研究气体、液体压强特性。在1662年玻意耳使用U型玻璃管和水银（做密闭活塞）演示了气体体积与所受压强的关系并发表了玻意耳定律，使人类对气体体积及其压强和温度三者的关系有了初步认识。增进了人们对蒸汽，真空，大气压及其相互作用的知识积累。这些知识为早期的利用大气压工作的蒸汽机打下必要的理论基础。

这个时期玻意耳使用玻璃真空泵对真空展开研究，也为后期的电灯泡和电子管的发明做出了知识和技术储备。

3 玻璃仪器的演进对西方科技起到引领作用

3.1 使用透明玻璃器皿对气体展开研究使化学学科实现突破

因化学反应中常见气体，例如氧气、二氧化碳、一氧化碳、氢气等均无色透明，而且我们的生活环境中空气无处不在，使我们不易对这些气体进行观察和研究。但透明玻璃的出现，使人类探索出了将玻璃容器倒扣在液体中，实现相对密闭且不受空气影响的小环境，再通过透明玻璃壁观察其内部液面涨落情况来获知气体的产生、消耗及存在。借助这一方法1774年拉瓦锡使用曲颈甑和玻璃钟罩对汞及其氧化物展开研究，发现了氧气，并对其进行了研究分析，进而建立了氧化学说，认为燃烧的本质是物体与氧的化合，否定了认为物质燃烧是因物质含有燃素的燃素说。

由于氧气被发现，受到启发后氢气很快地被发现，并且在此基础上拉瓦锡证明了水是由氢气和氧气按2比1体积化合而成。水这种最常用的溶剂成分被认清，使进一步弄清其中溶质的成分成为可能。玻璃材料在此过程中，因其具有其他相近材料，例陶瓷、金属等材料没有的透明性，使其在此环节中具有不可被替代的地位。

3.2 玻璃材料在建筑设计中的应用

作为一种建筑材料，玻璃的最大优点在于它的透明性。虽然玻璃将室内和室外分开，但它的透明效果完美地起到了过渡作用。这样，它不仅扩大了人们的视野，而且缩短了黑暗中世界之间的距离。随着科学技术的发展，玻璃可以制成各种颜色。彩色玻璃在光的作用下会给人视觉上的巨大愉悦。戴尔·奇胡利是来自意大利的杰出建筑师和雕塑家。他认为色彩斑斓的玻璃可以给设计师带来灵感和无尽的遐想，自由创作。玻璃材料具有超强的可塑性，通过熔炼、模具、玻璃吹制成型，可加工成正方形、矩形、三角形、圆形、椭圆形、飞机等自由形状;它还可以加工成平面、双曲线和球面空间形状。平面与空间的结合与形成可以产生难以想象的效果。通过研究玻璃的内部结构，我们可以知道，组成玻璃的分子之间的间隙非常小，所以它可以有效地阻隔噪音。玻璃不仅能吸收，还能反射阳光中的辐射热，有效降低建筑内部温度。玻璃材料的折射率可以利用光线改造空间，使建筑空间具有更丰富的层次感，并能划分空间格局但不影响室内空间视线的连续性。用玻璃材质分隔空间，让空间更有层次感，也能形成小的隐藏空间。这样既不会破坏原有的空间完整性，又能丰富空间的层次感。例如在建筑空间中，利用立体玻璃形成小空间，使单一的建筑空间衍生出子空间，再通过玻璃材料的通透性，将大空间和小空间完美统一，使整体空间不受破坏，丰富了建筑空间的层次感。这种用光改造空间的方式适用于透光性强的玻璃，如透明玻璃、磨砂玻璃等[2]。玻璃本身就是一种创新。新功能的出现，结构材料的创新；一种新的形式，一种新的表演形式，是艺术层面上的创新。玻璃不仅实现了人与外界的完美过渡，还在一定程度上为人类节省了能量，包括情感本能和激动人心的情感心理体验；也可以使用分隔空间。如今，玻璃已经成功地融入建筑和景观系统中，玻璃的加入也给建筑和景观艺术带来了翻天覆地的变化。不同的玻璃材料有不同的功能，从而给人不同的视觉体验，是人类建筑和景观体系不可分割的一部分。

3.3 玻璃材料在近代生物、医学中的应用

显微镜的应用使微生物的研究得以开展，让人类对传染病有了正确认知，知晓了细胞分裂及遗传物质DNA。在1928年拯救无数人生命的青霉素被发明，使现代医学科技得到极大的进步。显微镜在生物学和医学领域使用广泛。它是我们理解微观世界，研究微观世界的工具。随着现代生物医学的高速发展，生物样本的观察已经达到纳米级，甚至更微观的水平。这对显微镜的分辨率提出了更高的要求。随着现代科学技术的迅速发展，一些采用高科技的新型显微镜应运而生。同时，通过传统光学显微镜与现代高新技术相结合之后，现代显微镜的性能也出现了较大的改善。在3个世纪以前，荷兰科学家Antonivan Leeuwenhoek就将其发明的光学显微镜应用于原生动物、细菌，以及细胞和血管的观察研究中，极大地提高了人们对于微观世界的认知水平。数百年来的历史发展进程中，光学显微镜在生物医学等各个领域都起到了关键作用，推动了这些领域的快速发展, 至今仍在各个领域广泛应用。

3.4 玻璃仪器对近代科技及量子力学、相对论研究的贡献

①玻璃材料的莱顿瓶和验电器使人类认识到电荷有正（+）负（-）两种，及其在金属中具有传导性。②伏特借助化学知识在1800年发明了化学电源电堆（电池组），让科学家拥有了持久的电流源，使得电化学和电磁场理论研究得以开展。③在前期使用真空泵对真空展开研究的基础上，爱迪生在1879年发明了玻璃灯泡，改变了我们夜间的生活方式，使我们有了更多的工作和学习时间。④1887年利用多个玻璃光学仪器（分光镜、反射镜）的迈克耳孙－莫雷实验发现了光速不变现象，成为爱因斯坦创立狭义相对论的基本出发点之一。⑤1895年伦琴使用真空玻璃电子管发现了X射线。这一发现也间接地影响了人类对放射性的发现。⑥随着对玻璃电子管的进一步改进，研制出了光电管，利用光电管对光电效应研究时，发现光电子的能量只与入射光的频率有关且入射光的频率低于截止频率时不发生光电效应，这一不同寻常的现象促使人们发展出了量子理论。⑦随着化学知识的进一步积累，门捷列夫的元素周期表，诺贝尔的炸药，以及居里夫妇的放射性元素的提取等成果得以发明和实现。以上这些奠定当今世界格局的重要研究成果均离不开玻璃这种关键材料。⑧玻璃材料的盖革－米勒计数管使人类检测射线和探测辐射的强弱更加的方便 。

以上这些说明玻璃材料对人类近代科技的发展起到关键作用，不仅天文，生物学离不开天文望远镜和显微镜，化学学科更是离不开各式玻璃器皿，近代物理学发展也是与玻璃仪器的演进密切相关[3]。

4 玻璃材料对科技发展的促进

中国有悠久的历史，灿烂的文化，更有为人类发展做出巨大贡献的四大发明。火药及指南针的发明让我国祖先可以守护和管理较广阔的地域，但由于近代透明玻璃材料的缺失阻碍了近代自然科学的研究。17世纪西方率先发明并普及了透明玻璃材料。首先玻璃材料的天文望远镜和显微镜被发明，仿佛使西方拥有了特权一样，可以使遥远的天体和微生物及细胞变为可见并可对其研究。玻璃的透明性和易塑性让他也非常适合用来混合化学物质，并观察其反应过程和结果。同时天文学的发展又带动了物理学的力学及万有引力定律的发现。并且随着对大气压和真空及气体压强特性研究的深入，激起了人们研制利用大气压做功的机器的热情，并经过近百年的不断升级，最终改进出引发工业革命的蒸汽机，进而引发了工业革命。同时机械、交通工具等的大发展也对物理、数学知识起到推动作用。所以纵观以上西方近代科技发展史，可以说是一部伴随玻璃仪器演进的发展史。随着时代和科技的进步以及玻璃多元化的发展，玻璃材料已经成为多样化生活的重要组成部分。在近年来，深加工玻璃的种类和数量都出现了翻天覆地的变化，而玻璃材料产品的整体品质也有了很大的提升。现阶段，玻璃材料的发展正向着能源、材料、环保、信息、生物等方面前进。玻璃材料对于环保和节能减排具有非常重要的意义。

中国已经计划在2030年之前达到碳排放峰值，并在2060年之前实现碳中和以协调和保护全球气候。这一目标的实现，需要能源消费端和能源供应端减少对化石能源的依赖。玻璃工业在实现碳中和目标方面发挥着重要作用。通过更换燃料和原材料，提高能源效率，更多地使用回收玻璃，以及开发薄玻璃，玻璃行业可以释放巨大的节能潜力。各种节能玻璃产品在能耗端将表现出更加明显的节能效果。在能源供应方面，玻璃也是支持光伏、风电、核电等清洁能源发展的重要材料。因此，玻璃材料将为中国的碳中和做出更大的贡献。