玻璃為何如此神奇，竟然會是透明的？光為何能穿透這種固體，其他物質為何無法讓光穿過？玻璃的組成原子明明和沙子一模一樣，為什麼沙子不透明，玻璃卻能透光和屈折光線？玻璃（和其他一些材料）是由矽原子和氧原子組成。原子中央為原子核，包含質子和中子，周圍是數量不一的電子。比起原子的尺寸，原子核和電子都微不足道。假設原子是一座體育場，原子核就是場中央的一顆豆子，電子就是周圍看台上的沙粒。因此，原子內部（應該說所有物質內部）幾乎都是空的。換句話說，原子應該有許多空隙能讓光穿透，不會撞到電子或原子核，而事實也是如此。因此，真正的問題其實不是「玻璃為什麼是透明的？」而是「為何不是所有物質都是透明的？」
讓我們繼續使用體育場的比喻。在原子體育場內，電子只能占據看台上的某些位子，就好像大多數座位都移走了，只剩下幾排留著，而每個電子只能待在指定好的某一排。電子若想升等到更好的位子，就得多付錢，而所謂的錢就是能量。光穿透原子時會帶來大量能量，只要量夠，電子就會用它升等到更好的位子，也就是會把光給吸收，使光無法穿透物質。
不過，事情還另有蹊蹺。光的能量必須恰到好處，讓電子可以從現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），電子就無法升等，光也就不會被吸收。電子必須取得恰到好處的能量，才能在不同排的位子間（稱為能態）移動，這是原子世界的基本法則，稱為量子力學。排與排之間的落差是特定的能量值，稱為量子。玻璃裡的量子排列方式與眾不同，使得移動到空位的能量高於可見光，因此可見光無法讓電子升等座位，於是能直接穿過原子。這就是玻璃透明的原因。然而，紫外線之類的高能光就能讓電子升等，因此無法穿透玻璃。這就是為什麼玻璃能防曬，因為紫外線根本無法穿透玻璃碰到我們。木頭和石塊之類的不透明材質，擁有大量的便宜座位，因此可見光和紫外線都很容易被吸收。
就算光沒被玻璃吸收，穿過原子時還是會受到影響而減慢速度，直到穿出玻璃的另一面後才會回復原速。若光以斜角進入玻璃，由於光的各組成元素（單色光）進出玻璃的時間不同，使得各色光在玻璃內的前進速度產生差異。這個速度差會讓光折屈，也就是折射。光學鏡片就是依據折射原理製作的。鏡面弧曲會讓不同角度的入射光以不同角度折射，只要控制鏡面曲度就能放大影像，讓人類得以製作顯微鏡和望遠鏡，也讓戴眼鏡的人能看清楚東西。
玻璃推動科學進展
控制鏡面曲度的更深遠影響，是讓光變成了可實驗的對象。玻璃工匠在幾百年前就已經發現，陽光以某個角度穿透玻璃時，會在牆上形成迷你彩虹，卻一直無法解釋其原因，只能看圖說故事，推斷顏色是在玻璃內形成的。要到 1666年科學家牛頓發現看圖說故事是錯的，並提出正確的解釋，世人才終於明白背後的道理。牛頓的天才之處在於發現稜鏡不只能讓「白光」變成七彩色光，還能反轉整個過程，把七色光回復為白光。於是他推論，玻璃產生的七種色光其實一開始就在光裡。這些色光混成一道光線，從太陽直射而來，進入玻璃後才又各自分散。光穿透水滴會造成迷你彩虹，也是同樣的道理，因為水也是透明的。牛頓就這樣一舉破解了彩虹的祕密，成為提出彩虹原理的第一人。
利用實驗替彩虹找出合理的解釋，不僅展現了科學思考的威力，也凸顯了玻璃對科學實驗及破解宇宙奧祕的貢獻。並且玻璃的功勞可不僅限於光學，化學更是因它而改頭換面，得到的幫助比任何學科都大。只要走一趟化學實驗室就能明白，玻璃的透明與惰性，讓它非常適合用來混合化學物質和觀察反應。在玻璃試管發明之前，化學反應都在不透明的燒杯裡進行，因此很難看到過程變化。有了玻璃這種材質，尤其是派熱司（ PYREX）玻璃問世之後，化學總算進階成為一門有系統的科學。
派熱司玻璃是加了氧化硼的玻璃。氧化硼分子和氧化矽分子一樣，很難形成結晶，更重要的是玻璃加了它會抑制熱脹冷縮。玻璃溫度不均時，不同部位的脹縮速率不同，會彼此擠壓，在玻璃內部形成應力，產生裂痕最後導致破裂。要是玻璃瓶裡裝的是沸騰的硫酸，瓶子碎裂還可能讓人殘廢甚至死亡。硼矽玻璃（派熱司是商標名稱）的出現讓玻璃的熱脹冷縮從此絕跡，也連帶去除了應力，讓化學家可以隨意加熱或冷卻化學物質，專心研究化學現象，不必擔心可能的熱衝擊。
玻璃還讓化學家只用噴燈就能彎曲試管，製作複雜的化學器具（例如蒸餾瓶和氣密容器）也容易許多，讓他們可以隨心所欲蒐集氣體、控制液體和操弄化學反應。玻璃器材是化學家最聽話的僕人，好用到專業的化學實驗室都至少有一台吹玻璃機。有多少諾貝爾獎是玻璃從旁邊推了一把？又有多少現代發明萌生於小小的試管裡？玻璃技術是否推動了十七世紀的科學革命，兩者是不是簡單的因果關係，目前還未有定論。玻璃看來更像是必要條件，而非充分條件。但有一點毋庸置疑，就是東方忽視了玻璃整整一千年，而玻璃卻在這段時間徹底改變了歐洲人一項最寶貴的傳統。
玻璃揭開啤酒的面紗
雖然有錢人幾百年前就開始用玻璃杯喝紅酒，但啤酒直到十九世紀之前，都還是用不透明的容器，如瓷杯、錫杯和木杯等來飲用。由於大多數人都看不見自己喝的酒是什麼顏色，因此只在乎啤酒的味道，對啤酒的色澤也就不太在意。當時啤酒大多是深棕色且很混濁，但到了 1840年，現屬捷克的波希米亞地區發明了大量製造玻璃的方法，使玻璃造價降低許多，於是啤酒都能用玻璃杯盛裝。酒客終於見到自己喝的啤酒是什麼模樣，結果卻常常大失所望：所謂的頂層發酵啤酒不僅味道各異，顏色和透明度也不一樣。但不出十年，捷克的皮爾森地區就開發出了色澤較淡的底層發酵啤酒，外觀金黃澄澈，而且和香檳一樣也有氣泡。這就是窖藏啤酒。窖藏啤酒不只好喝，而且好看，它的金黃色澤也一直延續到現在。諷刺的是，這麼適合用玻璃杯品嘗的啤酒，現代人幾乎都用鋁罐喝，而一般人常用玻璃杯喝的啤酒，反倒是最不透明的啤酒。它是玻璃杯出現之前就有的古董：健力士黑啤酒。
用玻璃杯喝啤酒還有一個意料之外的副作用。據英國政府統計，每年遭到酒杯或酒瓶攻擊的人數超過五千，消耗健保費用超過二十億英鎊。雖然不少酒館和夜店嘗試過許多種的塑膠杯，這些塑膠杯同樣透明堅固，卻始終不成氣候。
用塑膠杯喝啤酒跟用玻璃杯喝，感覺完全不同。塑膠不僅味道不同，而且熱傳導係數較低，使它在口中感覺比玻璃溫暖，降低了暢飲冰啤酒的快感。此外，塑膠還比玻璃柔軟許多，因此很快就會失去光澤、滿布刮痕、不再透明，不僅會遮住啤酒的亮眼色澤，還會影響我們對杯子乾不乾淨的觀感。玻璃的一大魅力就是它外表晶瑩剔透，就算有髒汙也感覺乾淨，讓我們願意接受集體催眠，不去想這酒杯可能一小時前才碰過別人的嘴。
本文摘自《10種物質改變世界》，由天下文化 出版。
a0921003785彼得 潘
黃 昱瑋
