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玻璃與 17 世紀科學的發展
2022.08.05

邱韻如/長庚大學通識中心副教授,主要研究方向為物理教學、科學史。

 

 

您有沒有想過,「玻璃」這個古老的材料,與 17 世紀的科學發展有著什麼樣的關係?本文探討 17 世紀科學的發展中,玻璃如何突破人類經驗的侷限,開啟人們的視野與想像,以及在實驗或儀器間所扮演的角色。

 

玻璃工藝與工業的發展

早在西元前 2000 多年之前,古埃及人就已經掌握以高溫熔融砂粒製造玻璃的技術,那時的玻璃是不透明的,多半拿來製作飾品。隨著吹玻璃技術的發展,透明的玻璃容器開始出現,或許就在杯觥交錯間,有人透過盛水的玻璃容器,看到放大或倒立縮小的影像,甚至發現可以聚集太陽光,無意間開啟了玻璃多彩多姿的新用途。

在玻璃發展的歷史上,有著非常重要地位的羅馬帝國瓦解後,玻璃製造術傳到了阿拉伯世界。阿拉伯科學家藉由盛水玻璃球的透鏡效果,探究光的折射、彩虹、視覺等自然現象;也結合了幾何,探究平凸透鏡、拋物面鏡、針孔成像等光學現象。到了 13 世紀,威尼斯的玻璃製造業已傲視全球。16 世紀時,傳到了現在的荷蘭地區,當眼鏡從稀有到普及之後,數個鏡片的組合,產生了神奇的效果,帶領人們以新的目光與視野去探索世界。

17 世紀的玻璃應用大致分為四類,一是做為珠寶首飾等用途,二是瓶罐杯等各式器皿,三是大片的玻璃窗,四是面鏡、眼鏡、稜鏡、透鏡組合等。後三類玻璃技術的不斷精進,都帶動了科學的發展。

 

從小銅鏡到大玻璃面鏡

早期的鏡子都是銅鏡,銅鏡無法做得很大,反射的效果也不佳。平面玻璃也是起於玻璃吹製術,從歐洲大教堂玻璃窗的發展,到在平面玻璃背後鍍上反光材料,鏡裡的世界令人們驚嘆,改變了人類的感知,不僅開啟了繪畫的透視學,也帶動藝術及科學探索在文藝復興時期的蓬勃發展。

 

燃燒鏡與燈塔

中國古代把用來取火的凹面銅鏡稱為「陽燧」,西洋稱之為燃燒鏡(burning mirror)。有燃燒鏡效果的玻璃容器與透鏡製造出來之後,許多學者承先啟後探討阿基米德(Archimedes)聚焦太陽光燒船的可行性,以及燃燒鏡的幾何光學性質。煉金術士及化學家們,也常用燃燒鏡來加熱藥品。把燃燒鏡換個方式使用,可以把位於焦點的光源變成平行光,讓燈塔的光遠傳。

 

從盛水球形玻璃容器到眼鏡

羅傑.培根(Roger Bacon, 1214~1296)吸收了阿拉伯科學家的精華,探討光的性質,他寫道:「如果透過一個球形玻璃或水晶上的斷片來檢視書上的文字,或是任何微小的物體,所顯現的影像則會大而清楚……,因此這種器具對老人與那些眼睛不好的人很有幫助,只要適當地放大,他們便能看得見最小的文字⋯⋯,反之亦然,最遙遠的物體也可以變得像近在手中。」因為這些敘述,培根被奉為眼鏡的發明者。拓展眼睛功能的眼鏡大約從 13 世紀起出現,從中世紀僧侶抄寫書籍到印刷術普及,閱讀的人口增加,眼鏡也越見普及。

 

望遠鏡與顯微鏡

1609 年夏天,46 歲的伽利略(Galileo, 1564~1642),初次聽到有關「間諜鏡」的消息,他一方面自行磨製鏡片且不斷改良,一方面朝向天空持續進行觀測及記錄。他將觀天的紀錄寫在《星際信使》(Sidereus Nuncius)一書中,於 1610 年 3 月出版。書中所描述的天際景象,包括月亮的表面、木星的衛星、銀河、星空等,令人們大開眼界,也讓伽利略聲名鵲起。隔年 4 月,在山貓學會(Accademia dei Lincei)的崔西王子(Federico Cesi, 1585~1630)在羅馬為伽利略舉辦的望遠鏡展示晚宴上,這個開啟人們無盡視野的儀器被命名為「telescopium」。

數個透鏡的巧妙組合,可以望遠,也可以看近。伽利略也製作了顯微鏡,在 1624 年將顯微鏡送給崔西王子,山貓學會的法柏(Giovanni Faber, 1574~1629)把這個被伽利略稱為「occhiolino」或「little eye」的儀器命名為「microscope」。

到了 17 世紀中葉,有許多儀器製造商,善於磨鏡、吹製玻璃,以及製作各種科學儀器。望遠鏡越做越大,當時的大天文學家如惠更斯(Huygens, 1629~1695)和赫維留斯(Hevelius, 1611~1687), 都向善於磨鏡的坎帕尼(Campani, 1635~1715) 訂製了焦距超長的透鏡,打造無筒望遠鏡,探索天際。馬爾皮基(Malpighi, 1628~1694)醫師從 1656 年起,持續利用伽利略顯微鏡觀察他解剖的植物與動物,直到虎克(Hooke, 1635~1703) 在 1665 年發表《顯微圖誌》(Micrographia),大家才對這個儀器為之驚艷。

 

從托里切利的水銀柱到抽真空的技術

托里切利(Torricelli, 1608~1647)在伽利略生命最後三個月來到他的身邊擔任助手。在伽利略過世後,他接任伽利略的托斯卡尼宮廷數學家和比薩大學數學教授之職。在任期間他解決了當時很多重要的數學問題,還設計和製作許多的望遠鏡和簡單的顯微鏡。當時,托斯卡尼大公屬下的水泵製造商試圖將水壓到 12 公尺高,卻發現 10 公尺是水泵的極限,托里切利解出此問題後,在 1643 年製作了一根長達 1 公尺的玻璃管,一端密封,將裝滿水銀的玻璃管垂直插入裝滿水銀的盆子,於是水銀柱降到大約 76 公分高,水銀柱的上端產生了所謂的「托里切利真空」(Torricellian vacuum),這就是最早的真空與最早的氣壓計。

受到以馬德堡半球實驗聞名的格里克(Guericke,1602~1686)的啟發,1657 年,虎克和他的雇主波以耳(Boyle, 1627~1691)改進發展真空泵浦,將玻璃容器抽真空,進行各式各樣的氣壓與真空實驗的試探。可以經由吹製而客製所需、能抽真空、盛裝化學藥品進行反應等的玻璃容器,是各種化學實驗不可獲缺的器材。

 

西門托學會的儀器及實驗手冊

在製作望遠鏡和顯微鏡之前,伽利略就用玻璃製作了溫度計(圖一)。伽利略過世後,他的學生及後續追隨者承襲他的實驗精神,在托斯卡尼大公斐迪南二世和他的胞弟利奧波多王子(Prince Leopoldo,1617~1675) 資助下,成立了西門托學會(Accademia del Cimento),義大利文的「Cimento」就是「實驗」的意思。這個崇尚實驗並以伽利略為精神標竿的學會,在當時製作的儀器有許多都是玻璃製品,目前收藏在佛羅倫斯的伽利略博物館(Museo Galileo)。

 

▲圖一:伽利略溫度計,拍攝於佛羅倫斯的伽利略博物館(Museo Galileo)。攝影/邱韻如

 

從這個學會出版的實驗室手冊《測量》(Saggi)裡的圖(圖二),可以看到在那個時代,玻璃儀器做得有多精緻!在當時,物理現象的測量是一個新領域,這本被稱為「18 世紀的實驗室手冊」列出各種高精度測量儀器的實驗及探討,包括溫度計、濕度計、水銀氣壓計等儀器,也對波以耳實驗、托里切利實驗、顏色等都做了許多探究。

 

▲圖二:西門托學會出版的《測量》所描繪的科學儀器。圖片提供/《科學月刊》,圖片來源/public domain, Wikipedia

 

虎克的顯微鏡

顯微鏡不是虎克發明的,但是卻與虎克之名密不可分,主要是虎克畫下了他用顯微鏡看到的「細胞」,還有跳蚤等栩栩如生的小生物。虎克能夠描繪出超越肉眼的細緻景象,在於他製作了一個以油燈、球型玻璃容器、平凸透鏡所組成的燈光組(圖三),被稱之為「scotoscope」。他在其著名的《顯微圖誌》前言裡,除了描述這組燈光,也提到把碎玻璃燒熱拉絲,製成小水滴狀,可以當作放大透鏡。一生當中磨製了超過 500 個鏡片的雷文霍克(Leeuwenhoek, 1632~1723)所製作的單片顯微鏡,就是用這種方式製作的。顯微鏡的後續發展,帶動了微生物領域的各種探究。

 

▲圖三:虎克的顯微鏡燈光組,出自《顯微圖誌》。圖片提供/《科學月刊》,圖片來源/Robert Hooke,public domain, Wikipedia

 

牛頓的三稜鏡實驗

1665 年夏天,牛頓回到故鄉躲避瘟疫,在這所謂奇蹟年期間,他用三稜鏡做了許多實驗,探究光與色的本質,解釋了彩虹的色彩及成因,之後改良磨製出一台精巧實用的反射式望遠鏡,在英國皇家學會聲名大噪。

 

結語:玻璃成為科學發展的重要奠基

玻璃工藝與工業,在中世紀幾何學與光學的滋養下,於 17 世紀蓬勃發展出現代科學,望遠鏡帶動了天文領域往宇宙深處探索,透過顯微鏡拓展到肉眼難以察覺的微生物世界。以玻璃製成的溫度計、氣壓計等各種度量儀器,帶動了實驗的發展化學實驗的進行更是脫離不了各種為實驗而特製的玻璃容器。至今,玻璃工業的技術發展仍持續在科學上和日常生活上展現,讀者可以一一細數。

1943 年,來自英國的詩人畫家皮克(Mervyn Peake,1911~1968)受戰爭藝術家顧問委員會(War Artists’Advisory Committee)的委託,精彩描繪出玻璃工匠們吹製陰極射線管的景象,出版《吹玻璃的工匠》(The Glassblowers)一書;該書的封面,呈現這幅畫作的一小部分。本文結尾以皮克畫作的吹製玻璃情景(圖四),作為自古至今玻璃與科學發展的牽縷。

 

▲圖四:英國詩人畫家皮克的燒製玻璃畫作。圖片提供/《科學月刊》,圖片來源/Mervyn Peake, public domain, Wikimedia Commons

 

 

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本文轉載、修改自《科學月刊》2021 年 4 月