玻璃其实在人类科技史上占有举足轻重的地位,从喝水的杯子到手机和电脑屏幕,无处不有玻璃的身影,今天给大家介绍神奇的玻璃之旅,伴随着人类科技的发展史。
在介绍这神奇的玻璃之旅前,我先引入一个理论--蜂鸟效应。这个理论其实来源于生物学,达尔文曾经在《物种起源》中介绍“共同进化”的概念,比如说,开花的植物和蜂鸟之间相互影响共同进化,植物为了吸引传粉的昆虫开始产生的花蜜,而花蜜不仅仅吸引了昆虫,而且还吸引了更大型的生物体,也就是蜂鸟。蜂鸟为了吸食花蜜,进化出了一种特别的飞行机制:通过及时快速地扇动翅膀,使自己能够漂浮于半空中,悬停于花朵旁边,从而轻松地吸食花蜜。植物为了吸引昆虫传粉进行的有性生殖过程,竟然影响了蜂鸟翅膀和飞行方式的进化。这就是著名的蜂鸟效应,你很难将植物为了吸引昆虫传粉的花蜜跟蜂鸟的进化联系起来,但事实就是这么奇妙。其实,人类的科技和创新也是同样方式开展的,发展过程体现出了蜂鸟效应。古腾堡发明的印刷术,让人们对眼镜的需求激增,最后导致显微镜和天文望远镜的产生,直接促进了生物学和天文学的发展,多么奇妙啊!一个领域的一项创新,能够完全引发另一个截然不同领域的科技发展和变革,真可谓是无巧不成书!我们无法预测未来和技术的发展方向,但是我们能做的是做好手头的事情,不断的去发明出新东西,因为你不知道,它将会引发出一场怎样伟大的颠覆和变革。
今天,我们一起开始这段玻璃的神秘旅程,我们将会跟随一块玻璃从2600万年前利比亚沙漠到古埃及法老陵墓。从罗马帝国到夏威夷大岛天文台。
玻璃旅程之一:从利比亚沙漠的二氧化硅,到穆拉诺岛生产的水晶玻璃。
如果你学过高中化学,应该知道沙子中含有二氧化硅,如果没有学过也不要紧,就把它理解成一种物质就好了,二氧化硅有一种非常奇妙的特性,在一千多度的高温下,二氧化硅会逐渐软化,融合在一起,变成一种晶体,也就是我们称之为的玻璃。二氧化硅的这种特性,将会深远的影响我们的历史。2400多万年前,利比亚的沙漠中,就有玻璃出现了,是沙子在高温中自然形成的。大约在1万年前,有人在穿越这片沙漠的时候,发现了这种玻璃,并把它献给了古埃及的法老,法老命人把它雕刻成圣甲虫的形状,放到了自己的陵墓中,作为神圣的法器。直到1922年,考古学家才在古埃及图坦卡蒙法老的陵墓中发现这块玻璃圣甲虫,这是科学家发现的最古老的玻璃。
相比较而言,在3100多年前西周时期的中国,我们的祖先就掌握了玻璃制造技术,比古埃及的玻璃雕刻技术要早得多。在河南洛阳庄淳沟、陕西宝鸡茹家庄等地的西周早期墓葬中,均发现了大量的玻璃管、玻璃珠。最早的玻璃大概出现在春秋末年,举个例子,越王勾践剑,它的剑格两面其实有镶嵌着含有较多小气泡的浅蓝色玻璃。这上面的玻璃块不含铅,只算是钾玻璃。吴王夫差剑上也有嵌入的玻璃块,不过是透明的。这两柄剑上不约而同使用了玻璃作为装饰,可见当时玻璃是一种极为珍贵少见的物质,只有王家贵族能够用上。战国有名的玻璃器就是蜻蜓眼了,真正意义上的铅钡玻璃就是在战国时期出现的。还有玻璃璧,玻璃剑饰,玻璃印章等。这个时期的玻璃器大多以镶嵌形式作为器物装饰,独立器物较少。西方世界,一直到罗马帝国,人们才开始掌握玻璃制作技术,制作玻璃工具,这一时期,玻璃窗被制作出来,古罗马大量的教堂里面都有彩色的玻璃窗,这是现代社会玻璃大厦的前身。古罗马也开始制作玻璃容器,用来储存,水和酒。2000多年前,玻璃开始传入汉朝,人们开始用玻璃来装饰门窗。那位据说能够做掌上舞的“赵飞燕婕妤”居住在“昭阳殿”的时候,“窗扉多是绿琉璃,亦皆照达,毛发不得藏焉”。说明那时候透明的门窗已可以照得眉发毕露。
直到下一个世纪,罗马帝国灭亡之后,玻璃才真正变成我们今天的样子。1204年,君士坦丁堡被奥斯曼土耳其的苏丹穆罕默德二世攻陷,改名伊斯坦布尔,引发了一系列的移民潮,其中有一件表面看起来无足轻重的事件:一群土耳其玻璃制造商,穿越地中海,在威尼斯定居下来。这些玻璃制造商的玻璃制造技艺十分精致,但给威尼斯的木质结构房屋带来了火灾隐患。因此,威尼斯政府把这些玻璃制造商集中迁移到穆拉诺岛。在下个世纪,穆拉诺岛已经成为远近闻名的玻璃岛,就像当今世界的硅谷。岛上的一个玻璃制造商巴洛维亚,通过实验,将富含钾和锰的海藻烧成灰,加入到熔化的玻璃液中,制作出晶莹剔透的水晶玻璃。现在这种玻璃仍旧出现在我们的房子中。
写到这里为止,玻璃已经从利比亚沙漠来到了穆拉诺岛,同时,玻璃从原始的二氧化硅结晶变成了水晶玻璃,拥有更强大的能量和用途。
玻璃旅程之二:从12世纪修道士用的眼镜,到20世纪贝尔实验室发明的光纤。
12世纪的修道士需要研读经文,他们常常借助于一块弧形的玻璃块,来辅助阅读。同样是玻璃制造商发现了这个商机,他们将玻璃做成中央凸起的小圆片,并镶上镜框,制造出了眼镜,改变了我们观察这个世界的方式。但眼镜并没有就此流行起来,直到15世纪40年代,古腾堡发明印刷机。古腾堡印刷机使书籍变得非常便宜、便于携带,提高了人们的识字率和文化水平。人们开始意识到自己的视力缺陷,需要眼镜辅助阅读,于是,在古腾堡印刷机发明100年内,整个欧洲出现了成千上万家眼镜店,这就是典型的蜂鸟效应:一个小发明,引发了另一种巨大的科技创新。眼镜普及以后,这些眼镜制造商并没有就此止步。1590年,荷兰眼镜商詹森在做实验的时候,将两片镜片重叠起来放置,发现看到的物体被放大了,就这样发明了显微镜。在随后的70年里,显微镜不断改进,英国科学家胡克利用显微镜,观察到了细胞,而这又成了微生物学的开端。既然显微镜可以看到近处微小的事物,那么我们能不能利用镜片看到远处的事物呢?同样也是荷兰眼镜商利伯希,在观察他的孩子们玩镜片的时候,突发灵感,发明了望远镜。一年后,伽利略改进了利伯希的望远镜,观察到了卫星围绕木星旋转的现象,而这又成了天文学的开端。一环扣着一环,你永远不知道,什么是开端,什么是结尾。当然,镜片还将逐步发展,发展成为照相机的镜头和电视屏幕,最终成为手机屏幕,这些都应用了玻璃传送光,处理光的独特能力,给了我们全新的视角。
玻璃不仅仅在视觉方面在逐步发展迭代,在材料方面,也有广泛的应用。1887年,物理学家波伊斯,在做物理实验时,将溶解的玻璃拉长,得到一种玻璃纤维,拥有很强的硬度,甚至超过钢铁。在人们的印象中,玻璃是易碎的,但是玻璃纤维改变了这种刻板印象。20世纪中叶,玻璃纤维已广泛用于隔热设备,电路板,甚至用来制造波音公司空客A380飞机的外壳。同一时期,贝尔实验室发现,玻璃纤维能够传导激光,而且效率远高于传输电信号,这种技术最终发展成我们现在应用广泛的光纤技术。人们利用光纤技术,搭建了全球互联网的框架,可以说,当今世界的互联网就是建立在光纤之上的,这是一个多么伟大的发明,而玻璃最初,只是静静地躺在利比亚的沙漠里,默默无闻。
玻璃旅程之三:从家用镜子,到夏威夷天文台望远镜。
玻璃,启发了欧洲的个人主义思潮和文艺复兴。1400年之前的绘画都是以宗教绘画和宫廷绘画为主,1400年以后,人们突然对自画像的兴趣大增,其实是由于镜子的出现。镜子也是由穆拉诺岛的玻璃制造商发明的,他们在玻璃背面涂上金属,这样就产生了一个反光面。人们在镜子发明之前,几乎没有见过自己的脸长什么样,镜子发明以后,人们开始对自己感兴趣了,注重美和外表。可以这么说,镜子直接培育了欧洲个人主义的萌芽。
意大利画家菲利波通过观察镜子,发明了绘画中的直线透视法,启发了绘画的变革,导致文艺复兴的产生,这就像花朵促使蜂鸟产生进化。相似的例子在《双轨》一书中也提到过,苏格兰的一家威士忌酒厂委托一名叫约瑟夫的科学教授研究如何提高酒厂的蒸馏效率,约瑟夫教授研究发现蒸汽中贮藏了巨大热量。巧合的是,约瑟夫有一个叫做瓦特的同事,瓦特正苦于不知道如何改进教学应用的蒸汽泵,他获知了约瑟夫的研究进展。在约瑟夫的启发下,瓦特制造出一台高级蒸汽泵,改进了当时的蒸汽机,由此拉开了工业革命的序幕,工业革命的发展则改变了全球政治格局。这一切既是偶然,也是必然。
镜子发展到现在,已经应用到了天文望远镜上,夏威夷大岛天文台有着世界上最强大的光学望远镜。为了避免图像失真,他们利用镜子来捕捉极其微弱的光,每个望远镜有36块六边形的镜子,它们组成望远镜的反光布,通过反射让光线按照指定的路线形成图像。望远镜的控制系统还可以通过调整这些镜子的角度,将模糊的图像变清晰,就像是把眼镜戴在近视的人脸上,模糊的物体,突然变得清晰无比。
玻璃,又一次延伸了我们的世界。从细胞和微生物的世界,到我们手里的手机、照相机,甚至让我们能够抵达银河系的边缘。而这一切的产生,仅仅是由于二氧化硅独特的化学性质,地球上没有任何元素,比硅元素影响力更大。人类虽然是碳基生命,但我们现在已经离不开硅元素。自始至终,玻璃都在为我们指引前进的方向,不断打开新世界的大门。