文明的起源7美丽而实用的玻璃

人类创造的世界光彩夺目,绚丽耀眼,令人赞叹称奇。它为什么是现在的这个样子?迎着阳光,在现代文明精致的面庞和魁梧的身躯后面,有一条长长的影子,从那里,可以看到岁月、历史和长路。

文明的起源:7.美丽而实用的玻璃

每天我们都能看到玻璃,玻璃就像泥土一样无处不在。房子窗户上的玻璃、汽车窗户和后视镜上的玻璃、电脑和电视的屏幕、浴室里的镜子、玻璃杯子、玻璃瓶子……我们希望什么东西坚硬致密而且能够透光,我们多半会使用玻璃。

玻璃来自于自然,来自于石头,从古至今都是如此。关于人类最初发现玻璃的故事有很多版本,比如说一位古埃及的陶工发现了玻璃,或者说腓尼基人的商船上的水手们发现了玻璃。

人们在古文明美索不达米亚(这是中文里古希腊人对“两河流域”的称呼的音译。两河是底格里斯河和幼发拉底河,这个地区在伊拉克周边。两河文明由苏美尔人在大约公元前年左右发端,后来在这片土地上有名的国度是古巴比伦和亚述帝国)和古埃及的遗迹里发现了类似玻璃的制品,因此人们相信古埃及陶工的故事。再晚一点的故事是关于腓尼基人的。

腓尼基可以说是古代地中海东岸地区一系列小城邦的总称,与古希腊同时,古希腊人称这个地区的人为腓尼基人。

腓尼基人很有商业头脑,是欧洲早期具有殖民和扩张意识的民族。大约公元前9世纪,他们占据了靠近地中海的北非,此时的古罗马人称这个区域为迦太基,称这里的居民为布匿人。

腓尼基人控制的迦太基努力地想要控制地中海的贸易,这触犯了古罗马人的利益,才有了后来罗马摧毁迦太基的三次布匿战争。

回到腓尼基人发现玻璃的故事,一艘腓尼基商船载着从某个盐湖岸边收集的晶体矿物天然苏打(主要成分是碳酸钠和碳酸氢钠,那时的人可能用来做肥皂)在贝鲁斯河上搁浅了,船员登上沙滩埋锅造饭,用几块天然苏打围成一圈做锅的支架,在锅下生起火。

吃完饭,船员们准备离开时,突然有人发现刚才做饭的火堆里有一些透明亮晶晶的东西。他们研究了一下,认为很可能是天然苏打、沙滩上的沙子和火焰一起发生的神奇效果。腓尼基人敏锐的商业头脑使他们看到了这种神奇反应的商机,而且他们经过试验发现,只有一种乳白色或者无色半透明的沙子和天然苏打一起煅烧,才能做成那同样透明亮晶晶的东西。据说腓尼基人通过这个技术赚了不少钱。

腓尼基人曾经控制了地中海的贸易

技术会被传承和发展,不过很可能是小范围的,以地区、民族或者帝国为界。古罗马人征服了迦太基的腓尼基人,从而继承了玻璃的制作工艺。到年代,意大利的玻璃制造技术已经很成熟。可能其它地区还没有训练出像意大利人这样的玻璃制作手法,意大利人对于玻璃的制作流程非常保密,玻璃工厂设置在偏僻的小岛上,工人们也被规定必须在工厂里与世隔绝地工作。这时意大利人生产的玻璃可能还不能用在窗户上,也许做油灯是不错的。

大块的平板玻璃的制作技术,直到年代才被发明。

自然界很少出现的物质被人造出来,这种神奇事件和人们总结出的手工流程与条件,最初是一种在相当长时间里只能缓慢得到改进甚至一成不变的经验,但化学科学在欧洲的起源和发展,最终给一些类似于此的神奇事件以正确的解释。

那种“乳白色或者无色半透明的沙子”,现在被称作石英砂,如果是像石头那么大块的石英砂,被称作石英石。石英石和石英砂,是坚硬耐磨的硅酸盐矿物,主要成分是二氧化硅(SiO2)。天然苏打,其中包含的碳酸钠(NaCO)是生成玻璃的化学反应中不可缺少的成分,再加入主要成分为碳酸钙(CaCO)的石灰石,这三种物质一起煅烧至熔化,最后冷却成形,就是玻璃制作工艺成熟以来人们一直使用的基本配方和方法。

石英石

于是,普通玻璃的主要成分就是:Na2SiO3、CaSiO3、SiO2或Na2O·CaO·6SiO2等,属于硅酸盐复盐。这种技艺生产的玻璃,是“钠钙玻璃”,是西方世界一直采用的模式。

而在中国,据称古埃及的玻璃制造工艺曾经传入中国,但更早或者同时,中国有另外一种原创的玻璃制作模式——“铅钡玻璃”。这种玻璃没有“钠钙玻璃”的透明度高,是从炼丹术(古时人们希望能从铅中提取黄金,或者使银子变金子)中发展出的一个分支技术。两种模式的玻璃都起源于偶然的发现和民间技艺——在很多技术领域就是这样,不同地区的人最初的一次发现对于日后近千年的技术发展基本上起到了决定性的作用。

接下来我们要研究的一个问题是,玻璃到底是什么?

除了我们普遍知道的物质有固态、液态、气态之分,还有等离子态、玻色-爱因斯坦凝聚态、费米子凝聚态。那么至少看起来玻璃是属于固态物质。

固体又可分为晶体和非晶体,大体来说,自然凝结的、不受外界干扰而形成的固体都有自己独特的、呈对称性的形状,如食盐呈立方体,冰呈六角棱柱体,明矾呈八面体等,这就是晶体;而反之是非晶体。

晶体由于原子规则的组合方式而具有天然的规则外形,但这并不是肉眼能够发现的,科学家用X光穿透物质来确定这一点,这个方法被称为X衍射。

从另一个方面,我们也能分辨科学上所定义的晶体和非晶体的区别。冰作为一种晶体,它所代表晶体的融化过程是这样的:冰是零下温度所产生的,当冰开始吸热时,热能让温度慢慢升高,但暂时还不足以破坏冰(晶体)的空间点阵(组成晶体的粒子如原子、离子或分子在三维空间中形成有规律的某种对称排列);继续吸热直到达到冰的熔点——0度时,冰开始熔化,此时再吸收的热量被用来破坏冰(晶体)的空间点阵,而冰水混合物的温度则不再上升,维持在0度;当冰完全融化成液体时,继续吸收热量才会使液体的温度继续上升。而非晶体,经历同样的吸热过程,会由硬变软,直到变成液体。所以,有固定熔点的固体是晶体,晶体的熔化过程会经历一个吸热而温度不上升的时间;而没有固定熔点的固体是非晶体,非晶体在吸热的过程中温度会持续保持上升。玻璃表现的正是非晶体的特点。然而也有科学家根据某些证据认为玻璃是液体,因为欧洲的老教堂的窗户玻璃总是底部比顶部要厚一些,这看起来真像是液体向下流动造成的。这个问题该怎么解释呢?

巴黎圣母院的玫瑰玻璃窗


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