第3节

假如生活中没有玻璃

不要将玻璃视为一种低技术含量的产品，我们应当扪心自问：如果没有玻璃，世界将发生哪些变化。从这个角度来看，玻璃的重要性立刻超越了半导体。如果没有玻璃制品，后果很明显，我们将没有窗户、眼镜、显微镜、望远镜、饮用器皿和厨房玻璃、电灯泡或真空阀。实际上，我们所知道的文明都将不复存在。没有硅电子器件，我们可能会倒退70年；但失去玻璃制品，我们可能会倒退几千年。

应用于光学的玻璃，如眼镜、显微镜或照相机镜头，其成分非常复杂。例如，高致密性玻璃具有高折射率，与低折射率玻璃或塑料相比，更适用于需要纤薄玻璃的镜片中。因此，在制作坚固的镜片或显微镜物镜等方面，高折射率玻璃具有极高的价值。由于单个玻璃镜片必然会出现色差问题，因此许多透镜会利用不同玻璃镜片的组合进行校正。长焦距镜头和远心镜头均由成分不同的多个玻璃镜片构成。

向玻璃中添加夹杂物，还会带来一个鲜为人知的结果，那就是有可能制造出光致变色玻璃。对光致变色玻璃来说，阳光中的紫外线会降低它的透光性。这是一种非常理想的效果，不仅适用于自调节太阳镜，还可用于自助美黑玩偶等玩具。据说这种玻璃的开发之所以能获得资助，是因为其原本的开发目的是保护士兵免受核爆炸的影响。但用过变色眼镜的人都会发现，镜片变色的过程相当缓慢，因此它对最初的开发目的来说毫无价值，但这笔军事投资诞生了另一种有价值的产品。

操作焊接系统的工人需要一个能够快速自动变暗的眼镜。他们面临一个明显的问题，即将工件与焊接电弧对齐时，他们希望在正常照明条件下看清楚所做的事情，但是电弧开始放电后，他们需要立即降低光线强度，避免被强光刺伤双眼。光致变色玻璃的成分既不能应对如此极端的强度，也不能实现如此快速的转换。因此，现代设计中会使用一种玻璃材料，该材料会对电驱动机制做出反应，改变焊接护目镜的透光性（被称为“电致变色”玻璃）。一些玻璃窗已经使用了类似的电致变色玻璃，无须窗帘也能保护夜间隐私。要制造透明但导电的智能手机和平板电脑触摸屏，需要在玻璃中添加铟。能同时满足透明和导电需求的掺杂剂离子非常少。铟是一种重要的工业材料，但不幸的是，它的储量非常稀少，以目前传导触摸屏的生产速度来看，铟很可能会被耗尽。

最后，通过谨慎控制表面冷却和其他表面处理过程，我们可以控制玻璃在机械和化学方面的缺陷。因此，现代的安全玻璃，如汽车挡风玻璃（或者跌落后会弹起的厨房玻璃器皿），利用了玻璃的表面应力“缺陷”。你可能不了解玻璃如何与其他材料结合以提升强度或特殊性能。早期的车窗玻璃使用了玻璃复合材料，以减少事故发生时的玻璃碎片。最初玻璃碎片会黏在一个塑料层上。现代玻璃/塑料复合材料则采用另一种黏合方式，产生了更加神奇的特性。这些材料不仅适用于车窗，也可用于装甲生产。在一些专用汽车的车窗中，我不仅看到了简单的防弹玻璃，还看到了单向防弹玻璃。复合材料的外层是玻璃，内层是较软的塑料。入射的子弹在击碎玻璃后会损失能量，塑料层可以屈伸并吸收碎片的能量。这样可以抵挡来袭的子弹。向外发射的子弹则很容易穿过塑料层，向外击碎玻璃，然后沿着轨迹射向目标。这样一来，人们可以透过玻璃从内向外射击袭击者。单向防弹玻璃未必是所有人的首选，但显然有一个利润丰厚的市场。从玻璃珠的制作开始，人类在玻璃制造方面已经取得了长足的进步。

玻璃冷却产生应力的利与弊

控制玻璃的加热和冷却绝对是一门艺术，因为玻璃不仅可以被制成一种均匀的透明材料，在恶劣的条件下，某些区域的冷却速度可能比其他区域更快，或者开始产生微晶。对透明窗玻璃来说，这两种效果都是坏消息，因为这样的玻璃会散射光线，并且玻璃中产生了应力。内在应力会影响玻璃的破裂方式。到目前为止，我们可以看到一个很明显的规律，如果能够发现并控制材料中的缺陷，那么我们总会找到一些可以利用该缺陷的情况。因玻璃表面冷却速度比内部更快而产生的应力效应也是如此。通常将冷空气喷射到热玻璃上，使其表面快速冷却收缩，从而压缩表面。这样的表层使玻璃变得坚韧，不易破碎。它也可以用于制造轻型瓶子。

从科学的角度来看，普通玻璃稍有拉伸就会破裂。因此，从高处掉落后产生的微小的表面变化和体积变形都会导致破裂。不太明显的一点是，玻璃一旦被压缩，就会有相当大的弹性。如果我们可以在玻璃表面加一层压缩的外壳，它的松弛与屈伸的弹性范围将变大，这样一来，玻璃掉落（或遭到击打）后就不会轻易破裂。表面压缩能够有效地为玻璃增加一定的弹性，避免其破裂。现在许多厨房和餐具中使用了表面压缩玻璃，从而避免它们掉落后破裂。即使玻璃真的破裂，结果也十分惊人，因为它会碎成众多微小的碎片。但这种玻璃在使用中也有一个小风险，在使用无应力的普通玻璃制品时，我们可能并未留心，因此没有意识到，将钢化玻璃器皿放入微波炉中烹饪，可能会使玻璃变形。微波能量可以使钢化玻璃内的化学键松弛，破坏表面的韧性和弹性。我有一套原本是圆形的玻璃碗，由于在微波炉中使用而变形。这种松弛过程在非常低的温度下（即在烹饪食物时）就能发生，不需要经过熔炉高温软化，微波能量可以直接结合到玻璃的晶格键中。

通过偏振光观察应力效应

在现代应用中，控制表面应力的典型例子是汽车车窗，在成型阶段，通过空气喷射，使挡风玻璃不均匀地冷却。这样可以建立一种应力模式，但我们在大多数情况下看不见这种应力模式。但是，如果你在开车时戴一副偏光太阳镜，就能看到玻璃的应力模式，因为应力场也会使透过的光发生偏振。意识到这种模式可能令人感到气恼，但这种应力模式意味着在重大事故中，玻璃会破碎成细小的碎块而不是尖锐的碎片。我们很难估算因此避免的严重事故的数量，但每年应该会达到数百万件。

如果入射光以某种方式发生偏振，即使不需要偏光太阳镜，你也可以看到应力效应，比如通过潮湿路面或海面反射的光。如果望向光源的方向，比如太阳，我们会看到强烈的光。光的能量来自光子的运动，可以用波或粒子进行描述。我们可以将光子想象成扁平的石盘，偏振轴与圆盘的平面平行。当阳光照射海面时，平行于海面的扁平石盘会在水面上弹起（就像打水漂时石头在池面弹起），与之相比，偏振轴垂直于海面的石盘会撞向水面并沉没。水面的反射作用将光从非偏振（即相同数量的圆盘随机排列，有些圆盘垂直于水平，有些圆盘与水面平行）变为在一个平面内偏振的一组光子。偏光太阳镜利用被拉长的分子，所以只有一个能使光通过的光轴。因为透光轴垂直于偏振光，所以从海洋或海滩反射的强光就被偏光太阳镜的镜片吸收了。

我们可能会认为对偏振光的利用是近些年才有的技术。但事实并非如此，一个重要原因在于，它是蜜蜂导航所使用的探测系统的一部分。如果我们观察从抛光金属表面反射的阳光，也能看到明显的偏振现象。历史上有一个利用该现象的例子，即在雾气蒙蒙的阴天寻找太阳的方位。据说在太阳方位不明显的情况下，北欧水手可以观察刀刃反射的光线强度。即使在阴天和雾气弥漫的条件下，面对太阳时的偏振效应也比从其他方向上的偏振效应更加明显。北欧水手也会使用冰洲石（一种纯净的方解石，CaCO3），因为它具有双折射，能将一束入射光分离成两束偏振光，且两束偏振光相遇时不产生干涉现象。

如果你有偏振光太阳镜，尝试在看电脑屏幕时戴上它，然后旋转眼镜。你会看到明显的偏振现象。当我将太阳眼镜向一个方向旋转45°时，电脑屏幕的光透射为零，向相反方向旋转45°，电脑屏幕的光透射最强。一个不太明显但有趣的例子是，盯着彩虹并旋转眼镜的偏振轴。透过偏振片，你可以看到全新的彩虹特征，因为偏振片消除了一些正常的背景光，它使彩虹更加明亮。因此，你还可以在彩虹上方看到一组颜色相反的复虹。

4000年来的玻璃制造是否取得了进步？

这个问题的答案既是肯定的，又是否定的。当然，在熔炉和温度控制技术方面，现代设备非常出色。批量生产的产品具有更高的可重复性，人们对其物理和化学原理也有了充分的理解。但总体来说，这样一个涉及多种因素的问题很难回答，因为具体的加热循环和玻璃成分之间存在强烈的相互作用。尽管有4000年的制造经验，但专业知识仍然依赖于经验。前文提到的烹饪类比也同样适用于此，即使厨师不了解所有材料的作用或在玻璃厨具中发生的化学反应，也能做出美食。

接下来的内容可能会令你感到惊讶，因为我会就宇宙学发表看法。玻璃制造的经验是，我们可以组装数十亿个原子，生成半随机排列的硅酸盐或其他结构单位，从而使产品在成分和密度上保持一致，达到所谓的均匀。尽管如此，我们也知道，通过更加细致的检查，可以看到局部密度和应力的变化。由于喷气冷却的车窗面积很大，因此无论制造过程有多么谨慎，在微观层面上依然会出现差异。密度和成分的变化发生在短程顺序上，并反映了最初产品可能形成的不同晶体或排列方式。在以二氧化硅为主要成分的物质中，我列举了二氧化硅、石英、柯石英和斯石英，其密度分别为2.2、2.65、3到4.28以上。尽管其成分相同，但斯石英的密度是我们熟悉的二氧化硅和石英密度的两倍以上。玻璃中局部的杂质可能会引发局部密度的巨大变化，这取决于加工过程。虽然有明确的实验证据，但我们往往会忽略这一现实，并认为我们的玻璃是一个均匀的随机排序的系统。