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迷人的材料：10种改变世界的神奇物质和它们背后的科学故事 [:1700544684]
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迷人的材料：10种改变世界的神奇物质和它们背后的科学故事 罗马人的科学智慧
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虽然古埃及人和古希腊人都对玻璃制造有所贡献，不过真正让玻璃走入日常生活的还是古罗马人，是他们发现了“助熔剂”的妙用。他们使用的助熔剂是泡碱，一种天然生成的碳酸钠。泡碱让古罗马人制作透明玻璃的温度低了许多，不再需要加热到足以熔化纯石英的温度。他们选择的制造地点有成分正确的原料以及温度够高的窑烧，在那里大量制造玻璃，再用四通八达的贸易网络把产品运往古罗马帝国各地，供工匠制作成各种用品。这些做法并不空前，过去就有人做过，但根据古罗马史家老普林尼的说法，古罗马人让玻璃变得廉价，使它首次成为寻常百姓也能使用的物品。
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古罗马人非常喜欢玻璃，从各种充满创意的使用方式可以看出他们热爱的程度，例如玻璃窗就是他们发明的。古罗马之前，窗户都是直接开着（英文的窗户window原意是“风眼”），虽然有些窗户会加装百叶窗或窗帘遮风挡雨，但以透明材料作为保护还是前所未有的创举。但显然当时的窗玻璃都很小，而且必须用铅焊接，因为古罗马人还没有能力制作大面玻璃。不过他们却开启了人类把玻璃用于建筑的热潮，至今依然热度不减。
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透明玻璃问世之前，镜子都是由金属表面高度抛光制成的。古罗马人发现，在金属上加一层透明玻璃，不仅能保护金属表面不受刮损和腐蚀，还能减少金属的用量到只需一毫米厚即可。这使得镜子的造价大幅降低，并增加效用和寿命，直到今日这依然是大多数镜子的基本制作方法。
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古罗马人的玻璃工艺可不止于此。公元1世纪以前，玻璃制品都是熔化玻璃砂再灌模做成的。粗糙的玻璃制品使用这种方法绰绰有余，但想制作更精致的物品就要很费功夫了。例如制作薄酒杯时，模腔必须够细，但浓稠的玻璃熔浆很难灌入细的模腔。古罗马人发现固态玻璃只要加热到一定程度，就会像塑料一样容易塑形，用铁钳夹着就能在玻璃冷却前拉出各种形状，甚至能在玻璃红热时吹气进去，冷却后形成完美的玻璃泡泡。凭着玻璃吹制技术，古罗马人终于能做出精致和复杂程度前所未有的薄壁酒杯。
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玻璃发明之前，酒杯都是金属、兽角或陶瓷做成的不透明容器，欣赏美酒完全得靠味觉。玻璃酒杯发明后，酒的色泽、透明度和亮度也变得重要起来。看得到自己在喝什么，对我们来说稀松平常，对古罗马人却是全新的体验，他们爱极了这种视觉享受。
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古罗马酒杯已经是当时人类技术和文明之冠，不过比起现代酒杯还是相形见绌多了。当时的问题是，玻璃内含大量气泡，不仅破坏美感，还会严重削弱玻璃强度。无论杯子互碰或不慎摔到地上，物质受力时都会把力分摊给各个原子以吸收外压，减少单一原子的受力，无法负荷的原子会脱离原本的位置，形成裂痕。气泡或裂痕所在的原子，周边原子较少，无法靠周边原子拉住它们或分散受力，因此更容易脱离原本的位置。玻璃摔碎是因为外力太大，玻璃内部发生连锁反应，某原子脱离原位会连带拉走周边的原子。外力越大，发生连锁反应所需的气泡或裂痕就越小。换句话说，玻璃里的气泡越大，酒杯就越禁不起撞击。
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迷人的材料：10种改变世界的神奇物质和它们背后的科学故事 中国人独缺的发明
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或许因为玻璃实在太脆弱了，所以制造玻璃的技术在古罗马人取得大幅跃进之后，便停滞不前。中国人也懂得制作玻璃，甚至曾买卖古罗马人的玻璃，却没有继续发展制玻技术。这一点颇令人意外，因为在罗马帝国瓦解后，中国人的材料技术发展领先了西方世界足足一千年。他们在纸、木材、陶瓷和金属的发展上都是专家，却独独忽略了玻璃。
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相较之下，西方由于酒杯曾经风骚一时，使得西方人对玻璃始终带有一分尊敬与欣赏，导致其文化深受影响。透明防水的窗玻璃能让光线进入又能遮风避雨，在欧洲实在有用，很难被忽略，天气较冷的北欧尤其如此。不过，欧洲人起初只能做出小面的坚固透明玻璃，幸好可以用铅接合成大面玻璃，甚至可以上釉着色。彩绘和花窗玻璃成为财富和文化的象征，更彻底改写了欧洲教堂建筑。为教堂制作花窗玻璃的工匠，逐渐获得和石匠同等的地位，备受敬重，新的上釉技术也在欧洲蓬勃发展。
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19世纪之前，东方人一直轻忽玻璃。日本和中国的房子主要使用纸窗，虽然效果良好，却造就了不同于西方人的建筑风格。
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由于缺乏玻璃技术，东方就算工艺发达，也未能发明望远镜和显微镜，这些物品都要等到西方传教士引入时，才得以接触。当时中国工艺技术遥遥领先，实在无法判断，是否因为少了这两项关键的光学仪器，才未能如17世纪的西方般更进一步发生科学革命。
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但清楚的是，没有望远镜就不可能看见木星的卫星，也不可能看见冥王星并做出关键的天文测量，奠定我们现在对宇宙的理解。同理，没有显微镜就不可能看见细菌之类的微生物，也不可能有系统地研究微观世界，发展出医疗和各种工程技术。
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迷人的材料：10种改变世界的神奇物质和它们背后的科学故事 玻璃透光的奥秘
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所以玻璃为何如此神奇，竟然会是透明的？光为何能穿透这种固体，其他物质为何无法让光穿过？玻璃的组成原子明明和沙子一模一样，为什么沙子不透明，玻璃却能透光和屈折光线？
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玻璃（和其他一些材料）是由硅原子和氧原子组成的。原子中央为原子核，包含质子和中子，周围是数量不一的电子。比起原子的尺寸，原子核和电子都微不足道。假设原子是一座体育场，原子核就是场中央的一颗豆子，电子就是周围看台上的沙粒。因此，原子内部（应该说所有物质内部）几乎都是空的。换句话说，原子应该有许多空隙能让光穿透，不会撞到电子或原子核，而事实也是如此。因此，真正的问题其实不是“玻璃为什么是透明的”，而是“为何不是所有物质都是透明的”。
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原子的内部几乎都是空的
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让我们继续使用体育场的比喻。在原子体育场内，电子只能占据看台上的某些位子，就好像大多数座位都移走了，只剩下几排留着，而每个电子只能待在指定好的某一排。电子若想升级到更好的位子，就得多付钱，而所谓的钱就是能量。光穿透原子时会带来大量能量，只要量够，电子就会用它升级到更好的位子，也就是会把光给吸收，使光无法穿透物质。
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不过，事情还另有蹊跷。光的能量必须恰到好处，让电子可以从现在的位子跳到其他空位上。能量太小，拿不到前一排的位子（也就是到前一排所需的能量太高），电子就无法升级，光也就不会被吸收。电子必须取得恰到好处的能量，才能在不同排的位子（称为能级）之间移动，这是原子世界的基本法则，称为量子力学。排与排之间的落差是特定的能量值，这称为量子化。
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