《世界史是化學寫成的》：從早上起床到就寢之前，我們接觸到的玻璃製品多得驚人

文：左卷健男

被玻璃改變的生活風景

充斥著玻璃的現代

從早上起床到就寢之前，我們接觸到的玻璃製品多得驚人。

下床後打開開關，外面包覆著玻璃的日光燈或LED燈就會照亮室內。倒映出你臉龐的鏡子，也是玻璃材質。此外，餐桌上也少不了玻璃碗盤和杯子。看看電視機、智慧型手機、電腦，它們的螢幕上都覆蓋著玻璃。透過玻璃窗，陽光照進屋內，讓氣氛煥然一新。出門上班吧！無論搭的是汽車、公車或捷運，窗戶都是玻璃製的。當然，職場和學校的建築也都使用了大量玻璃。

活在現代，你無法想像一個沒有玻璃的生活空間。

玻璃的特徵是透明、容易成形。一九五九年，英國的皮爾金頓公司推出了一項平板玻璃工業的革命性發明，那就是浮法玻璃（亦稱「退火玻璃」）。

浮法玻璃是將鍋爐裡的玻璃熔融液加熱到約攝氏一六○○度，再倒入熔化的錫漿裡，玻璃熔融液浮上錫面後，便會均勻延展開來。液態金屬表面是完全平滑的，可以將逐漸冷卻、自然變得平整的平板玻璃不斷引出錫槽。之後也不需要打磨，這樣就能製成兩面幾乎完全平滑的平板玻璃。

此外，設備大型化也提高了生產力並促進節能。玻璃工業為了因應汽車業界的需求，製造出又薄又平整、厚度為○．二到○．三公厘的浮法玻璃，後續更進一步開發薄板化技術，得以生產厚度僅有○．○七公分到○．一一公分的超薄玻璃。

玻璃工業分為平板玻璃、光學玻璃、玻璃器具（瓶罐、家用器具、裝飾品等）三大部分，平板玻璃即為重心所在。

玻璃的缺點是堅硬易碎、耐熱但不耐劇烈溫度變化。因此後來開發出碎片不至於飛散的夾層玻璃、破碎後會變成細小顆粒的強化玻璃，以及耐高溫的耐熱玻璃。

玻璃的起源

人類是什麼時候開始製造玻璃的呢？如果是自然界的話，倒是有黑曜石（黑曜岩）這種玻璃質地的岩石，曾在石器時代當做匕首使用。

關於人類如何發現玻璃，說法有很多。玻璃的材料取自岩石和砂礫中的成分，主要有矽砂（石英）、碳酸鈉（純鹼，天然鹼）、碳酸鈣（石灰石）。目前已知全世界最古老的玻璃，是在埃及和美索不達米亞遺址中出土的玻璃球。在埃及第四王朝（約西元前二四世紀）的遺址裡，還保留了吹製玻璃的圖畫。另外，考古學家也推測，在西元前五○○○年左右的美索不達米亞，就已經懂得製造玻璃球了。

古埃及和美索不達米亞地區在大約西元前四五○○年時，就已有製造藍色陶器「古埃及彩陶」（Egyptian faience）的技術。這是用來代替當時非常貴重的綠松石和青金石，廣泛製作成裝飾品和陪葬品。這種彩陶的釉藥材質與玻璃相同，燒製後表面會變成玻璃質地。以這種方式製成的物品，應可說是最早的玻璃。

另外，還有一則軼事。

兩千年前的古羅馬學者老普林尼（Gaius Plinius Secundus）曾在著作《自然史》中提到，三千年前的腓尼基（現在的黎巴嫩），有位純鹼商人準備生火炊煮時，因為找不到架鍋子的石頭，於是拿成塊的純鹼當鍋架，沒想到裡面混入了砂，結果就這樣燒成了玻璃。

但這段文字十分令人起疑。除非砂子裡偶然混入矽砂（石英）和碳酸鈣（石灰石），否則這件事根本無法成立；更何況，區區柴火的溫度，真的能燒出玻璃嗎？

我曾在高中化學課堂上做過「鉛玻璃」。這是用較低溫度就能製成的玻璃，原料只需要矽砂粉末、氧化鉛和碳酸鈉就可以了。我將兩只花盆疊在一起做成火爐，再架上裝有原料的坩堝，以瓦斯噴槍加熱。只要使用能維持在攝氏八○○度的熱源，就能將坩堝裡的原料熔成液體。雖然這麼說對老普林尼很抱歉，但我實在不相信光靠柴火的火力，就能燒出比鉛玻璃需要更高溫的玻璃。

總而言之，就當做那時候真的碰巧做出玻璃吧。後來，人們將玻璃熔融液倒入模具（鑄造玻璃），或是用棍棒沾裹泥漿做成的芯，再捲起玻璃熔漿的方法，製造出玻璃壺和瓶罐。

吹製玻璃的發明

在大約西元前一世紀，發明了吹製玻璃。往燒熔、變得黏糊的玻璃熔融液裡吹入空氣、待其冷卻以後，就會變成薄透的球體，可以做出盛裝飲料的容器。後來以這種方式製造出來的玻璃製品，開始成為普及的日常用品，並在羅馬帝國內流通，後來就把這種玻璃器皿稱為「羅馬玻璃」。

另外，中國戰國時代（約西元前五世紀到西元前三世紀）的墓葬裡，出土了大量的玻璃器具和玻璃球。之後，漢代（西元前二○六年到二二○年）開始製造鑄造玻璃，唐代（六一八年到九○七年）則開始製造吹製玻璃。玻璃工法在漢代時從中國傳入日本，根據推測，曾在彌生時代（約西元前一○世紀到三世紀中期）遺址裡發現的玻璃球，應該就是日本最古老的玻璃。

到了五世紀左右，出現了玻璃切割法。此時繼承羅馬玻璃工藝的是薩珊玻璃。相關技術透過絲路傳到薩珊王朝所在的波斯、並在當地製造的薩珊玻璃，特徵是圓形的花紋切割，日本奈良東大寺正倉院裡收藏的白琉璃碗，就是其中之一。

在西元五到十四世紀左右，則有伊斯蘭玻璃繼承了薩珊玻璃工藝。此時出現了更新、更進步的加工技法，其中最具代表性的，就是施加琺瑯彩的搪瓷工法。

十二世紀左右，當時的威尼斯共和國要求玻璃工匠及其家人全部遷居穆拉諾島，藉此保護玻璃產業並培育職人。彩色玻璃、琺瑯彩、蕾絲玻璃等美麗的裝飾與高度玻璃工藝技術大放異彩，到了十五至十六世紀，當地玻璃產業迎向鼎盛時期，製造出鏡子、酒杯、餐具、吊燈等各式各樣的威尼斯玻璃。

將玻璃窗實用化的德國人

史上第一次把玻璃加工成窗戶的，是西元前四○○年左右的羅馬人；只是對溫暖的地中海型氣候來說，玻璃窗不過是個沒用處的稀奇東西。

附帶一提，窗戶的英語是「window」，這個詞是由「wind」（風）和「ow」（窺視、眼）組成的。在歐洲北部，舊式住宅的屋頂都有洞口做為排煙和換氣之用，也就是所謂的「眼」。風會從那裡吹進來，因此這個洞又稱做「風眼」，也就是「window」。後來，窗戶才開始嵌上玻璃。

人類在西元前一世紀左右發明了吹製玻璃，能製造出品質優良的玻璃窗。而使玻璃窗生產技術大幅躍進的，是中世紀初期的德國。對於住在歐洲北部，必須忍受寒冷天氣的德國人來說，透明且具有防水性的玻璃窗，是可以在採光的同時擋風遮雨的好東西。

玻璃工匠製造玻璃窗的方法之一，稱為圓筒法。這種方法是先將熔融的玻璃吹成球狀，接著前後甩成橢圓筒型，再縱向切開壓成平板。雖然這樣只能做出小尺寸的玻璃板，不過只要用鉛接合，就能做成一扇大玻璃窗了。

此外，用釉藥染色的彩色玻璃與彩繪玻璃，也在這段時間成為炫耀財富和品味的手段，運用在教會建築上；後來逐漸從教會擴及富裕家庭，要過了更久之後，才廣為一般大眾使用。

用圓筒法製成的玻璃窗，直徑最大只有一公尺左右；不過到了十七世紀，隨著玻璃工法的進步，已經可以製造出寬四公尺、長兩公尺的平板玻璃了。因為一六八七年發明了壓延工法，可將高溫熔化的玻璃熔融液均勻倒在大鐵板上，再用很重的金屬滾輪碾壓延展成大片玻璃。

在煉金術中大顯身手的玻璃儀器

在煉金術中，火的用途非常多。它可以將物質透過加熱融化、分解、灰化、蒸餾、溶解、蒸發、過濾、結晶、昇華（固體直接變成氣體）、製成汞齊（將金屬熔於水銀中做成合金）等等。

因此，首先需要的是窯爐之類的熱源和坩堝。只要在黏土裡加入砂子拌勻、燒硬後，就能做成耐火的坩堝。在煉金術出現以前，人類就已經有火爐和坩堝了，另外還有玻璃。

在煉金術盛行的時代，大多使用玻璃或陶器製成現在所謂的燒杯和燒瓶，而蒸餾時常用的是玻璃曲頸甑。現在也很常用的玻璃實驗儀器，大多數都是源自煉金術盛行時期的器具。

另外，還有很多工具都是用玻璃製成的。例如玻璃可以做成透鏡：望遠鏡的發明拓展了人類對宇宙的認識；顯微鏡的發明則是對細胞學、微生物學、醫學等領域貢獻良多。玻璃的主要原料矽砂（石英）是由二氧化矽（矽和氧的化合物）所組成。平常所看到無色透明、呈六角柱形的水晶，就是二氧化矽的結晶長大形成的，內部為矽原子和氧原子互相連結而成的規則立體構造。

像水晶這樣的固體，其構成物質的原子、分子和離子會相互連結，並以一定的幾何規律排列而成，稱為晶體。但由於在二氧化矽的立體結構中加入了鈉離子和鈣離子，使得玻璃擁有不規則的固體結構；換言之，它是一種非晶形固體。玻璃的原子排列並不規則，就是它與晶體最大的差別。此外，玻璃的溫度上升後，並不會在特定的溫度液化（熔解），而是軟化，變成具有流動性的材料。

為什麼玻璃是透明的？

所有物質都是由原子所組成的，原子則是由原子核和圍繞在四周的電子構成。原子的大小只有一億分之一公分，而中心的原子核更是只有這個大小的十萬至一萬分之一左右，四周的電子也非常微小。

如果把原子剖面想像成一座直徑一百公尺的操場，那麼原子核的大小約跟一粒米差不多。因此所有原子的內部大多是空蕩蕩的，光不會撞擊到原子核和電子、直接穿透的可能性非常高。

但很多東西之所以不透明，是因為可見光在物體表面和內部散射，或可見光被構成物體的物質所吸收，才無法穿透。因此，一件物品之所以看起來是透明的，除了「不會使可見光散射」外，還有「不會吸收可見光」。

比方說，擁有金屬般的表面、會使可見光散射的物體，看起來絕對不是透明的。也有像透明塑膠板這樣，全新的時候看起來是透明的，一旦表面有了損傷、導致光線散射後，就變得不再透明。原本透明的冰塊也會在削成刨冰後失去透明度，這是因為物質的結構中一旦產生邊界面（boundary surface），看起來就不會是透明的。

就這麼剛好，玻璃的結構裡沒有邊界，它是一體成型的，所以光線不會在表面和內部散射，而且也幾乎不會吸收可視光，光線可以直接通過。

順道一提，玻璃對紫外線而言，並不能算是完全「透明」的。它會吸收一部分紫外線，所以穿透玻璃的陽光才較不容易曬傷皮膚（不過這終歸只是和直射日光相較來說）。

書籍介紹

本文摘錄自《世界史是化學寫成的：從玻璃到手機，從肥料到炸藥，保證有趣的化學入門》，究竟出版

作者：左卷健男
譯者：陳聖怡

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「合成出新物質時，各國的勢力消長和生活方式也會跟著改變，真的很有趣！」

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責任編輯：潘柏翰
核稿編輯：翁世航