《科學理解的方法論 12》

現代人的日常生活離不開玻璃鏡。在十六世紀威尼斯人發明了玻璃鏡並使之商業化。玻璃鏡的製作過程是將錫汞合金塗在玻璃的背麵。然後加熱讓水銀蒸發掉。留下金屬錫的反光麵。最大的玻璃鏡可以做到一米見長。這時的玻璃麵製作依然是吹製法。威尼斯人懂得吹製成一個大的玻璃圓柱形。將底麵和頂麵裁掉，再將玻璃麵切開攤平。十七世紀法國國王路易十四建造了凡爾賽宮。裏麵最輝煌炫目的莫過於鏡廳。僅僅是廳裏五百來麵大小的玻璃鏡就足以說明凡爾賽宮的奢華。1835年，德國化學家李比希發明了現代玻璃鏡的製作工藝。在玻璃麵上用化學沉積法鍍上一層硝酸銀。然後再將銀還原出來形成一層銀金屬膜。銀麵玻璃鏡的質量明顯要好。因為沒有水銀的參與，這個新工藝大大降低了玻璃鏡製作對人體的傷害和環境的影響。

玻璃鏡的產生又促成更多的光學精密儀器。法布羅-珀羅幹涉儀可以用作光學濾波和光譜分析。激光器的諧振腔也是同理與法布羅-珀羅幹涉儀。邁克爾遜發明了一種幹涉儀來研究地球相對以太的運動。結果直接導致狹義相對論的誕生。最近的引力波探測器的核心也是一個邁克爾遜幹涉儀。當年邁克爾遜為提高實驗精度，將幹涉臂加長到十一米。而引力波探測要求的精度極其高。空間扭曲的幅度不超過一個氫原子直經的一億分之一。引力波探測器的一個幹涉臂就長達四公裏。

從十七世紀開始，玻璃製造逐漸轉移到英國，實現大規模工業生產。1674年，雷文斯克洛夫特改用煤炭作燃料，改用當地的燧石作主要原料，改用摻雜氧化鉛降低熔點，成功製成了鉛玻璃（也叫燧石玻璃）。氧化鉛添加劑延長了玻璃的可製作時間。玻璃製作還是吹製法。到十九世紀中葉，技術進行了改良。處於熔化狀的玻璃由轉筒壓平，再傳送到溫控爐裏淬火冷卻。不久之後，機械自動化運用到平板玻璃製作。這種玻璃工藝的缺點是玻璃表麵粗糙不平，需要拋光打磨，所以成本較高。1887年，在約克郡的工廠就可以使用半自動化標準程序實現每小時兩百個玻璃瓶的快速生產。1851年，帕克斯頓在建造水晶宮時第一次使用玻璃作為建築材料。1909年，世界第一座全金屬和玻璃幕牆的大樓建成在密蘇裏州的堪薩斯城。1952年，皮爾金頓發明了浮製法，讓熔化的玻璃在一個製作槽裏的液態金屬錫表麵流動再凝固。這樣的玻璃平板即均勻又光滑。現代玻璃生產都釆用這種工藝。

除了在現代生活和生產中的廣泛使用，玻璃實現的另一項偉大的革命性技術是光纖通訊。通訊的物理信息是光，載體是細長的玻璃纖維。光纖結構其實簡單，隻包括內層高折射率的芯和外麵低折射率的包層。因為滿足了全反射條件，光被束縛在內芯裏傳播。1965年，高錕指出光纖中光量衰減與雜質有關。提高玻璃介質就可以實現光的長程傳輸。高錕論證了光纖通訊的可行性。十來年後，光纖通訊成分現實。現在的光纖裏會特意摻入鉺離子。它的能級差恰好匹配光的波長，可以通過光的諧振放大光功率。當今的光纖通訊的單通道數據傳輸速率可以達到每秒四千億比特。傳送一部高清電影用不到十分之一秒。

人類的智慧創造出技術，而技術又產生工具。工具又可以延伸人類的感知。當人的裸眼隻能看到一萬六千光年之外的仙後座恒星時，哈勃望遠鏡幫我們看到一百多億光年的深太空。當人的裸眼隻能辨別出十分之一毫米的物體時，掃描隧道顯微鏡可以幫我們看到一個個的原子。隨著人類視野的不斷擴展，世界的本質也就在人類無窮盡的探索之中逐步打開在人類的麵前。

--寫於2022年7月7日（圖片來自網絡）