古埃及人與古羅馬人如何製作玻璃？
王冠文／英國雪菲爾大學考古博士，現職為中央研究院歷史語言研究所助研究員，專長是古代高溫工藝的科學分析。
玻璃是現代人習以為常的材料之一，在生活的各個層面都能見到它的存在。但它其實不是現代才發明的產物，古代人早已懂得如何製作玻璃。本文將帶領讀者回到古埃及與古羅馬時代，一起看看當時的人們如何製作玻璃。
最早的玻璃：來自窯爐的青金石？
最早的玻璃燒製技術，大約在西元前 16 世紀時，出現在古埃及與美索不達米亞。當時的玻璃大多是深藍色或藍綠色，從兩地的古文獻可以得知，這些玻璃的顏色應是為了模仿自然界的寶石──青金石（lapis lazuli）或綠松石（turquoise）。在美索不達米亞阿卡德帝國的楔形泥板中，將玻璃稱作「來自窯爐的青金石」，而真正的青金石則是「來自山上的青金石」。古埃及的文獻則將青金石稱為「真正的青金石」（real lapis lazuli），而將深藍色的玻璃稱作「青金石」；同樣的，綠松石被稱為「真正的綠松石」（real turquoise），藍綠色的玻璃被稱為「綠松石」。
美索不達米亞和古埃及並非青金石或綠松石原礦的產地，這些寶石大多從阿富汗一帶經由伊朗輸入。大約自西元前 20 世紀後，這些寶石逐漸成為美索不達米亞與古埃及之間重要的外交往來物品。同樣的，這些寶石的仿作──玻璃──也是十分重要的外交物品之一，兩地也都因此發展出玻璃燒製工藝。考古學家便曾在埃及現今的坎堤爾（Qantir）、利什特（Lisht）、阿瑪納（Amarna）、瑪卡塔（Malkata）等地發現玻璃燒製作坊的遺跡。當時，這些作坊、燒製技術、製作成品都掌握在皇室及貴族階級手中，平民是無法取得的。
古埃及如何做玻璃？由植物灰到「清澈的」玻璃
在美索不達米亞的數件楔形泥板中，曾發現關於玻璃原料的記載，這些文獻大多藏於西元前 7 世紀建造的亞述巴尼拔圖書館（Library of Ashurbanipal）裡。內文中提及，製作玻璃時我們需要「10 minas 的 immanakku 石、15 minas 的 naga 植物灰、1.5 minas 的『白色植物』」。
其中 minas 是當時的重量單位，大約是 0.5～1 公斤；「immanakku 石」指的是矽（silicon, Si）含量高的石頭，是製作玻璃最重要的原料；「naga 植物灰」指的是鈉（sodium,Na）含量較高的植物燒成的灰，功用是做為助熔劑，可以將二氧化矽（SiO2）的熔點由 1,700℃ 降至接近 1,000℃，以便燒製；至於最後提及的「白色植物」，至今我們仍不清楚確切指涉的是何種成分。而由此方式燒製出來的玻璃稱為 zukû 玻璃，意為「清澈的玻璃」。
此外，如果要製作「擁有青金石顏色的玻璃」，則需要再準備「10 minas 的銅料（copper, Cu）」，也就是將銅料和磨碎的 zukû 玻璃一起熔融，再加入其他原料燒製便可完成。在這裡，銅料是做為發色劑使用，當銅以氧化的二價銅離子（Cu2+）狀態存在於玻璃結構時，會使玻璃產生藍色或藍綠色的樣貌。
從這些文獻中不難發現，美索不達米亞與古埃及的工匠，已經掌握了基本的玻璃原料和燒製概念，也就是需要有純度高的矽質原料、助熔劑、發色劑才能產出不同顏色的玻璃。而當時的矽質原料來源，可能是來自於石英質鵝卵石，由於雜質較少，因此文獻裡較少提及含矽原料的精煉。
由於美索不達米亞與古埃及大部分是沙漠、沼澤環境，植物灰應是來自當地耐旱、耐鹽的植物。這類植物的鈉含量極高，裡面的鈉可以有效降低矽砂的熔點；這種類型的植物灰原料，因為鹽分高的特點，反映在玻璃化學成分的特徵，便是偏高的鎂（magnesium, Mg）含量，而這樣高鈉、高鎂的化學成分組成，也成為考古科學家在判定古埃及「植物灰玻璃」的一個重要線索。至於銅料的使用，當時已屬於青銅器晚期，古埃及與美索不達米亞人對於銅的性質已十分了解。
▲古埃及 Qantir 遺址用於燒製玻璃的坩鍋，坩鍋內仍殘存未燒製完全的玻璃原料，後續研究發現這些原料是石英碎石，而非砂子。圖片提供／《科學月刊》，圖片來源／Excavation Qantir, Pelizaeus-Museum Hildesheim
▲古埃及 Qantir 遺址用於燒製紅色玻璃的坩鍋剖面。下方深灰色部分為坩鍋，上方為紅色玻璃，玻璃表面受腐蝕氧化作用，由氧化亞銅變成氧化銅，呈現綠色狀態。圖片提供／《科學月刊》，圖片來源／Excavation Qantir, Pelizaeus-Museum Hildesheim
羅馬玻璃是來自海岸的靈感？
大約自西元前 1 千紀（millennium）中葉起，約西元前 400～500 年，古羅馬人也發展出玻璃燒製工藝。關於羅馬人如何習得玻璃燒製的技術，最廣為人知的，是作家老普林尼（Pliny the Elder）在西元 1 世紀著作的《自然史》（Naturalis Historia）中的這段敘述：
「……曾經有艘載運天然鈉鹽的船停靠在岸邊，船上的商賈沿著海岸踱步來回，找尋合適的場地和材料，要準備烹煮他們的食物。但是，附近沒有合適的石頭可以用來支撐他們的鍋具，於是他們只好將載運的鹽堆（放在砂灘上）做為支撐鍋具的材料，當他們開始點火加熱後，發現砂灘上的砂和鹽開始混合、產生作用，砂子變成奇怪的透明液體，像流水般流出，據聞是玻璃的起源。」
雖然這個故事的真實性令人存疑，但是我們可以從中看到，羅馬人用於燒製玻璃的原料，除了最基本的「砂」之外，也加入了「鈉鹽」做為助熔劑。從字裡行間也能觀察到，羅馬人使用的助熔劑原料並非古埃及的「植物灰」，而是來自鈉含量高的鹽類，後來我們知道這類原料是泡鹼（natron），屬於天然的蒸發鹽類礦物，所以羅馬玻璃又被稱為「泡鹼玻璃」。相對於植物灰，泡鹼的雜質較少。因此，羅馬玻璃與古埃及玻璃其中一個最大的不同點，就是化學成分少了許多來自助熔劑的雜質，例如鎂的含量偏低。透過這些不同的化學成分特徵，就可以分辨出來自古埃及或古羅馬的玻璃。
老普林尼這段記載，另一個值得注意的地方，是來自海岸的砂。砂的主要成分是二氧化矽，泡鹼的主要成分是氧化鈉（Na2O），如果玻璃的化學組成只有二氧化矽和氧化鈉，性質會十分不穩定，容易被腐蝕，因此，古羅馬玻璃還有一個關鍵的成份──氧化鈣（CaO），氧化鈣的角色便是做為穩定劑。當時，鈣的來源可能來自貝殼或石灰石，而「來自海岸的砂」便可能帶有一定比例的貝殼成分。老普林尼的這段紀錄，或許也告訴了我們，古羅馬人在選擇玻璃原料時，有意識的選擇含有（來自海岸）貝殼的砂，做為合適的玻璃燒製原料；但也有一部分的考古學家持相反的意見，認為這是古羅馬人不經意地選擇了摻有貝殼的矽砂原料。
事實上，老普林尼在《自然史》裡提及玻璃燒製時，曾提到「貝殼和砂會一起燒熔」，這說明古羅馬人在準備玻璃原料時，已經掌握一定的配方知識，或許他們是刻意採集帶有貝殼的砂，也有可能是將貝殼摻入較純的矽砂之中，調整至適當的比例。而後來科學家分析古羅馬玻璃的微量化學成分及鍶（strontium, Sr）同位素組成時，也確認其中的鈣是來自海生貝殼，證實古羅馬人確實曾經使用貝殼做為玻璃原料之一。
▲出自約西元 1 世紀羅馬時期龐貝遺址的 7 件玻璃罐，當時應是用於裝載油或酒等液體。每個罐子的容積是其右邊罐子的 2 倍。圖片提供／《科學月刊》，圖片來源／(Th. Rehren, I.C. Freestone / Journal of Archaeological Science 56 (2015) 233-241, 238.) ©De Agostini/The British Library Board
古羅馬玻璃原料與它們的產地
有些古羅馬的史書，曾提及矽砂和泡鹼原料的產地。矽砂的來源地大多指向地中海東岸，也就是現在的敘利亞、以色列等近東地區，例如老普林尼的《自然史》、古希臘地理學家史特拉波（Strabo） 的《地理志》（Geographica），以及羅馬歷史學家塔西佗（Tacitus）的《歷史》（Historiae）都有提到，來自以色列西北方「貝魯斯河」，今稱納阿曼河（Na’aman River）的矽砂是十分合適的原料。考古學家也在以色列北部發現數個羅馬時期的玻璃燒製作坊遺址，這些遺址保存了當時窯爐的遺跡，以及少部分的玻璃成品，這些玻璃作坊設置於此的原因之一，可能就是因為靠近玻璃原料──矽砂的產地，而出土的玻璃成品經過分析後，也確認是屬於羅馬時期的泡鹼玻璃。
關於泡鹼的產地，老普林尼在他的書中提及「最好是來自埃及的鈉鹽」，特別是位於尼羅河三角洲北方一座古希臘的城市瑙克拉提斯城（Naucratis）或孟菲斯（Memphis）附近的鹽湖，據稱前者的鈉鹽品質是比較好的。經學者研究後，認為前者是位於現今埃及 el-Barnugi 的湖泊，後者則是在 Wadi Natrun 的鹽湖，兩者主要的產物都是天然的碳酸鈉蒸發鹽類礦物。
羅馬人使用泡鹼做為玻璃原料的傳統，到西元 7 世紀後逐漸衰減。衰減的原因之一，可能是羅馬帝國對泡鹼的需求過大，產地供應不暇；也可能受當時氣候變遷影響，降雨量的變化導致泡鹼產量降低；另一個原因則可能與 7 世紀波斯人入侵尼羅河三角洲有關，政治動盪導致泡鹼的採集受到影響而中斷，間接影響了玻璃燒製產業。
整體而言，羅馬玻璃的製作傳統持續到 9 世紀後，已幾乎消失不見，取而代之的，一是在西亞興起的伊斯蘭玻璃燒製傳統，再度以植物灰做為主要原料；一是在歐陸中世紀時期出現的鉀鈣矽酸鹽玻璃，以來自森林的木灰做為主要原料。
從玻璃的配方了解古代的工藝與智慧
透過這些從古代流傳下來的玻璃原料配方，我們得以一窺各時期的玻璃燒製傳統，並且透過考古遺址的分布位置、出土遺留，經過交叉驗證，更深入的了解古代的工藝交流與智慧。
▲出土自羅馬時期考古遺址的玻璃破片。圖片提供／《科學月刊》，圖片來源／Caroline Jackson 教授
▲考古學家在以色列的 Apollonia-Arsuf 遺址發現羅馬時期用於燒製玻璃的熔爐，內部尚有殘存的玻璃。圖片提供／《科學月刊》，圖片來源／Caroline Jackson 教授提供
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本文轉載、修改自《科學月刊》2021 年 4 月
