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对透明玻璃材料与近代科技落伍原因的思考

张宇杨西安中学 陕西西安 710018

摘要 十七世纪西方玻璃制作工艺的率先成熟，使透明玻璃在西方先于其他地方得以普及应用。天文望远镜的发明，使天文观察得以开展，导致木星的卫星被发现，否定了日心说；显微镜的发明使微生物、细胞等被发现，促进了生物、医药学的发展；玻璃的透光性、惰性及易塑形性，使其适用于化学和物理实验。人类在使用透明玻璃管对蒸汽、真空及大气压的特性有了足够认知后，进而发明了蒸汽机。使用倒扣在液体中的透明玻璃容器收集气体，使研究化学实验中常见的无色气体成为可能。使用这一方法，拉瓦锡发现了氧气，进而建立了氧化学说，使近代化学学科实现突破。因此，西方的自然科学在玻璃的，助力下得以全面发展，而中国因透明玻璃制造技术的长期缺失，导致近代科技未能跟上西方科技的进步。

关键词 玻璃；科技爆发；落伍；思考

1十七世纪透明玻璃的出现助西方科技崛起

古罗马人偶然发现使用泡碱，一种天然生成的碳酸钠，可以使制作玻璃的温度降低许多，这导致了玻璃的发明。16世纪末意大利工匠制作玻璃的技术日臻成熟，逐步熟练掌握了玻璃的批量制造和吹制工艺，纯净度，透光性也越来越高。随后无色透明玻璃的制作技术传入德国、英国等地，进而使无色透明玻璃在西欧地区得以率先普及。1615年英国用煤炭取代木柴作熔制玻璃的燃料，1675年英国人George Ravenscroft发明了透光性，折射率更高的铅玻璃。由于透明玻璃的普及，首先由眼镜店老板发明了望远镜。1609年意大利的伽利略利用天文望远镜对太空进行了天文观察，发现了木星也有自己的卫星，从而否定了以往宗教宣讲的所有天体都环绕地球运转的地心说，促进了近代天文学的发展[1]。1674年列文虎克进一步精细研磨镜片，发明了显微镜，微生物和细胞被发现，使生物学得到突破和发展。玻璃材料的显微镜和望远镜的发明使人类看见了正常视觉能力之外的微观世界和宏观世界。遥远的天体变为“近在咫尺”，微生物、细胞变为清晰可见。人们的认知随之拓展，打开了物体表象之下的知识秘藏，一些神秘的自然现象得到科学的解释，人们不再迷信神灵。托里拆利在1643年用玻璃管和水银演示了大气压强和真空的存在，并发明了气压计。1662年玻意耳使用U型玻璃管和水银演示了气体体积与所受压强的关系－玻意耳定律，并使用玻璃真空泵展开对真空的研究。天文学研究天体，需要计算其运行轨道，这又带动了数学的发展，同时也引发了在1687年物理学的万有引力定律的发现。透明玻璃在十七世纪（明末清初）像一剂催化剂促发了西方的科技大爆发，天文、生物、物理、化学、数学和医学等自然学科得到全面发展，实现了对东方的反超。

2玻璃在发明蒸汽机过程中的必要作用

2.1早期的蒸汽机利用大气压做功

第一次工业革命的标志性发明蒸汽机，它是由瓦特在前人的基础上逐步改进完成的。先有丹尼斯?帕潘在作为玻意耳的助手期间，在1690年构想并发表了金属气缸和活塞的蒸汽机模型，其工作原理是在气缸内充入少量水，加热形成蒸汽推动活塞运动，再冷却气缸，蒸汽遇冷变为水，在气缸内形成部分真空，外部大气压推动活塞回位，实现活塞往复运动。1705年纽科门发明的蒸汽机就是采用这个工作原理，因此被称为大气式蒸汽机。1769年瓦特改进纽科门的大气式蒸汽机，将气缸的冷凝过程独立出来，取得了带有分离冷凝器的蒸汽机专利，提高了热效率。1782年瓦特再次改进蒸汽机将活塞的往复运动均由蒸汽推动。至此完成了真正的工业万能机－蒸汽机的发明。

2.2玻璃在认识大气压和真空知识中的关键作用

2.2.1透明玻璃帮助人类认识了大气压及真空。

人们在日常矿井的抽水过程中发现不能将水提升超过10米左右。1643年托里拆利改进实验，将装满水银且顶端封闭的长玻璃管倒立在水银槽中，演示验证了大气压的存在并发现了真空，这激起了人们对真空和大气压的研究兴趣。人们自此开始尝试利用大气压做功。丹尼斯.帕潘在作为玻意耳的助手时，应是借鉴了玻意耳研究气体压强特性时使用的玻璃管和活塞（或他作为惠更斯助手时使用的真空泵）的原型，将玻璃管替换为金属气缸，构想并发表了金属气缸和活塞的蒸汽机模型。并在此基础上由塞维利、纽科门、瓦特等人经过近百年的逐步改进，最终研制出了工业用蒸汽机。

2.2.2玻璃在人类认识大气压、真空过程中的不可被替代性。

在演示大气压和真空存在的实验中使用了玻璃管，因为玻璃的透明性和易做成管状的特性使人们可以直观地观察和认识到大气压和真空的存在。玻璃的这种特性使其在这个过程中具有其他材料不可替代性。真空泵的透明玻璃球体同样也离不开玻璃这种材料。同时玻璃的这些特性也利于研究气体、液体压强特性。在1662年玻意耳使用U型玻璃管和水银（做密闭活塞）演示了气体体积与所受压强的关系并发表了玻意耳定律，使人类对气体体积及其压强和温度三者的关系有了初步认识。增进了人们对蒸汽，真空，大气压及其相互作用的知识积累。这些知识为早期的利用大气压工作的蒸汽机打下必要的理论基础。这个时期玻意耳使用玻璃真空泵对真空展开研究，也为后期的电灯泡和电子管的发明作出了知识和技术储备。

3玻璃仪器的演进对西方科技起到引领作用

3.1使用透明玻璃器皿对气体展开研究使化学学科实现突破

因化学反应中常见气体，例氧气、二氧化碳、一氧化碳、氢气等均无色透明，而且我们的生活环境中空气无处不在，使我们不易对这些气体进行观察和研究。但透明玻璃的出现，使人类探索出了将玻璃容器倒扣在液体中，实现相对密闭且不受空气影响的小环境，再通过透明玻璃壁观察其内部液面涨落来获知气体的产生，消耗及存在。借助这一方法1774年拉瓦锡使用曲颈甑和玻璃钟罩对汞及其氧化物展开研究，发现了氧气，并对其进行了研究分析，进而建立了氧化学说，认为燃烧的本质是物体与氧的化合，否定了认为物质燃烧是因物质含有燃素的燃素说。由于氧气的被发现，受到启发后氢气很快被发现，并且在此基础上拉瓦锡证明了水是由氢气和氧气按2比1体积化合（燃烧）而成。水这种最常用的溶剂成分被认清，使进一步弄清其中溶质的成分成为可能。由于使用玻璃容器收集和存储气体，使计算化学反应中生成或消耗的气体的质量成为可能，化学反应的质量守恒定律进而被发现。氧化学说代替燃素学说，水的组成成分的被发现，以及质量守恒定律的发现为近代化学发展奠定了重要基础，开启了近代化学之门，进入到近代元素研究阶段。玻璃材料在此过程中，因其具有其他相近材料，例陶瓷、金属等材料没有的透明性，使其在此环节中具有不可被替代的地位。

3.2化学学科的发展造就了西方的船坚炮利3.2.1化学学科的发展使西方的冶铁技术实现突破。

因为冶铁与冶铜不同，铁容易受到煤炭中硫和磷元素的污染，导致冶炼出的铁较脆，不易切削加工和锻造成型。有记录表明早在宋代我国祖先已掌握使用焦炭（将煤炭在隔绝空气的情况下加热干馏，除去部分硫和磷杂质）冶铁的技术，领先西方数百年。但这种方法只能将部分硫、磷去除，所以这种方法生产出的铁只能用来加工初级产品，如铁锅、农具等。西方直至18世纪初才逐渐掌握了使用焦炭替代木炭冶铁的方法，但由于西方十七、十八世纪化学学科的发展，他们很快弄清楚煤炭中所含硫、磷元素对冶铁质量影响较大。先有贝塞麦将空气通入铁水中，用氧化法除掉铁水中无用和有害元素的吹炼法，再有托马斯采用碱性炉衬加生石灰除去硫、磷的方法。率先掌握了可一次快速冶炼大量优质钢铁的方法，使冶铁技术得到突破，满足了工业革命对钢铁的需要，为工业革命奠定了物质基础[2]。

3.2.2化学学科的发展使西方火药制造技术得到突破。

火药是中国的四大发明之一，但中国由于缺乏化学知识，一直未能掌握其有效成分的精确配比。但随着化学学科的发展，西方率先弄清了火药的有效成分并掌握了其精确配比。著名化学家拉瓦锡（1743~1794）就曾任职法国的火药与硝石管理局局长，研究提纯天然硝石（火药主要成分）。这样西方制造的火药质量优良且稳定，而我们的火药仍停留在经验配比阶段，无效成分和杂质多，每批次质量也不统一。所以鸦片战争中，清军的枪炮既打不准也打不远，因而战败。

3.3显微镜对近代生物、医学发展的重要贡献显微镜的应用使微生物的研究得以开展，让人类对传染病有了正确认知，知晓了细胞分裂及遗传物质DNA。在1928年拯救无数人生命的青霉素被发明，使现代医学科技得到极大的进步。

3.4玻璃仪器对近代科技及量子力学、相对论研究的贡献

①玻璃材料的莱顿瓶和验电器使人类认识到电荷有正（+）负（-）两种，及其在金属中具有传导性。②伏特借助化学知识在1800年发明了化学电源电堆（电池组），让科学家拥有了持久的电流源，使得电化学和电磁场理论研究得以开展。③在前期使用真空泵对真空展开研究的基础上，爱迪生在1879年发明了玻璃灯泡，改变了我们夜间的生活方式，使我们有了更多的工作和学习时间。④人类在电灯泡的基础上，增加一个电极，改进出了电子管（真空管），电子管的发明成为后期电子技术和通信技术的起源，他将人类带入了信息化和网络社会，结合组成网络的玻璃光纤，深刻地影响和改变了我们当今的生活方式。⑤十九世纪末汤姆逊利用高真空的放电管来观察阴极射线在电场、磁场中的偏转，从而导致了电子的发现。进而使人们认识到原子不是组成物质的最小颗粒，引导人类走向探索原子结构的原子时代。⑥1887年利用多个玻璃光学仪器（分光镜、反射镜）的迈克耳孙－莫雷实验发现了光速不变现象，成为爱因斯坦创立狭义相对论的基本出发点之一。⑦1895年伦琴使用真空玻璃电子管发现了X射线。这一发现也间接地影响了人类对放射性的发现。⑧随着对玻璃电子管的进一步改进，研制出了光电管，利用光电管对光电效应研究时，发现光电子的能量只与入射光的频率有关且入射光的频率低于截止频率时不发生光电效应，这一不同寻常的现象促使人们发展出了量子理论。⑨随着化学知识的进一步积累，门捷列夫的元素周期表，诺贝尔的炸药，以及居里夫妇的放射性元素的提取等成果得以发明和实现。以上这些奠定当今世界格局的重要研究成果均离不开玻璃这种关键材料。⑩玻璃材料的盖革－米勒计数管使人类检测射线和探测辐射的强弱更加的方便 。以上这些说明玻璃材料对人类近代科技的发展起到关键作用，不仅天文，生物学离不开天文望远镜和显微镜，化学学科更是离不开各式玻璃器皿，近代物理学发展也是与玻璃仪器的演进密切相关。所以人类近代的科技发展历程可以说是一部紧随玻璃仪器设备演进的发展史。

4中国一直在积极吸收国外先进科学技术

4.1十七世纪（明末清初）我国积极吸收西方先进天文知识修订历法

在中国的文化环境下，中国科技一直领先发展，但到十七世纪（明、清时期）中国科技被西方突然反超。大部分人认为是中华文化在十七世纪转化为骄傲自大，固步自封，从而遏制了科技创新，导致中国的科技落伍。但在西方科学家哥白尼（1474~1543）只敢在其死后才敢发表自己的日心说相关著作。因支持其日心说，伽利略（1562~1642）被后半生软禁，而布鲁诺则在1600年活活被烧死的同时期，中国却在1629年令徐光启组建历局，吸收西方传教士汤若望等人传入的西方先进天文知识，主动修编自己的历法－《崇祯历书》和建造天文观测仪器。此历法在清朝被更名为《西洋新法历书》并加以采用。这说明中国在十七世纪积极学习和吸收外部先进科学技术，因此将十七世纪中国科技被西方反超，归因于中国骄傲自大，固步自封的说法无法让人信服[3]。

4.2中华文化一直在积极吸纳和追求先进科学技术

中华文化是一种崇尚学习，教育和礼仪的积极向上的文化，并积极吸收和推广先进科学技术，这使我们的科技长期领先世界。十七世纪（明末）发现西方天文学技术预测天象更准确，则崇祯帝立即下令组建历局，借鉴吸收西方先进天文知识修编新历法。到19世纪随着两次鸦片战争的战败，我国认识到自己的科技，经济已落伍，立即开始积极寻求补救的方法。先有洋务运动，后有戊戌变法，新文化运动。全民族齐心协力努力寻求民族复兴道路。在新中国建立后几十年间，积极引进先进技术和普及基础教育，坚持科技是第一生产力，迅速追平了由于玻璃材料的缺失给我们造成的科技差距。使我们的经济及科技重新焕发了生命活力。这显示出我们的文化是一种虚心学习，积极向上，不甘平庸的优秀民族文化。

5透明玻璃材料使西方走上实验科学的道路

中国有悠久的历史，灿烂的文化，更有为人类发展作出巨大贡献的四大发明。火药及指南针的发明让我国祖先可以守护和管理较广阔的地域。造纸术和印刷术的发明使我们中华民族的历史传承有序，可以有效地知古鉴今，并有利于技术经验的积累与传播。但由于近代透明玻璃材料的缺失导致无法开展近代自然科学的研究，使原先领先的技术长期停滞，无法实现突破。十七世纪西方率先发明并普及了透明玻璃材料。首先玻璃材料的天文望远镜和显微镜被发明，仿佛使西方拥有了特权一样，可以使遥远的天体和微生物及细胞变为可见并可对其研究。同时天文学的发展又带动了数学学科及万有引力定律的发现。随着人类使用玻璃容器对大气压和真空及气体压强特性研究的深入，激起了人们研制利用大气压做功的机器的热情，并经过近百年的不断升级，最终改进出引发工业革命的蒸汽机，进而引发了工业革命。使用倒扣在液体中的透明玻璃容器收集气体，使研究化学实验中常见的无色气体成为可能。所以拉瓦锡利用此方法首先发现了氧气，进而分析出了水和空气的成分，否定了认为水和空气是元素的燃素说，建立了氧化学说，并发现了质量守恒定律，使西方化学学科异军突起，使西方化学学科从实验观察阶段进入现代元素分析的阶段。物理学的光学和热学与玻璃仪器密切相关，电学更是在化学电池（堆）的发明后获得了持久电源的前提下才得以开展。在前期对真空展开研究的基础上，玻璃灯泡在1879年被爱迪生发明，在此基础上人们又改进出了电子管（真空管）。电子管的发展一方面引发了现代电子技术和通信技术的爆发，另一方面促进了人类对原子结构的认识，并发展出了量子理论。人类首先通过光的干涉、衍射及偏振现象认识了光具有波动性，但同样具有波动性的声波在真空中不能传播，所以人们认为光的传播也需要介质- 以太，人类为了寻找以太，设计了使用多个玻璃仪器的迈克耳孙－莫雷实验，但却发现了光速不变现象。这一实验结果成为了相对论的主要出发点，玻璃材料在其中也起到了关键作用。所以纵观以上西方近代科技发展史，可以说是一部伴随玻璃仪器演进的发展史。由于借助天文望远镜和显微镜，使遥远的天体和微生物变为可见和可研究了。而且人类可借助玻璃仪器在不影响结果的情况下，清晰地观察物理化学反应过程。找出其中原因，掌握其中规律和机理，这些使西方科技走向了理论科学（实验科学），而中国因较早拥有造纸和印刷术，利于经验积累和传播，使中国科技走向经验科学。

6 总结

十七世纪（明末清初）是透明玻璃材料在西方开始普及应用的时间，而且当时的玻璃制造中心为意大利、英国、德国等地区。这些和我国科技被西方反超的时间及区域也正好吻合。所以综合以上原因可得出中国科技自十七世纪开始落伍，是因为我们长期缺乏透明玻璃这一关键材料，导致科技未能跟上西方科技进步。而不是我们封建社会晚期的文化，教育出现了问题，遏制了科技创新，导致我们近代的科技、经济落后。所以我们应该对我们的封建文化重新加以审视，而不应错误地将其全面否定。

参考文献

[英]马克·米奥多尼克.迷人的材料[M].北京:北京联合出版社公司,2015:41,

[2]金鹏.近代蒸汽动力技术创新过程研究[D].沈阳:东北大学,2007:22-24.

[3] [英]艾伦·麦克法兰,格里·马丁.玻璃的世界[M].北京:商务印书馆,2020:19.