廣義的玻璃是物理上的一種物質狀態,在這個狀態下的物質表面上為固體,但是內部分子結構是散亂的。黑曜岩就是一種廣義的玻璃,是火山岩漿快速冷卻之後形成的,質地脆、破裂後容易產生鋒利的斷口。由於黑曜岩在成岩的過程中會包入一些水份,因此將黑曜岩燒到1000゚C以上時,會變成白色發泡狀的材料。這種材料由於多孔,隔熱和保水的效果特別好。
一般我們所認識的玻璃則是一種透明、質脆、具有化學惰性的材料。玻璃的主要成份是二氧化矽,也就是石英砂。用來製作玻璃的石英砂應該盡量挑選純白接近透明的,若是材料中含有太多金屬離子的雜質可能會讓玻璃帶點顏色(當然也有刻意添加化學品來為玻璃上色的)。下一步是加熱石英砂使其熔化。不過,純石英砂熔點高達2300゚C,因此會添加碳酸鈉和氧化鈣,讓混合物整體的熔點下降到1500゚C左右。這樣製作出來的玻璃便是最常見的鈉鈣玻璃。
之前1400゚C的高爐煉鐵就讓你們勞動得火眼金睛,1500゚C的玻璃製程我看你們倒滿愜意的嘛(笑
這兩個素材從何而來呢?都是之前已經入手過的東西了。碳酸鈉可以從海藻燒過的灰燼中取得(翻譯組的小錯誤:不是烤過的海藻,而是燒成灰的海藻),氧化鈣可以用碳酸鈣取代,爐中的高溫會讓它分解成氧化鈣。
將這些材料熔化成均勻的液態之後,接著將玻璃液冷卻塑型。在動畫中千空共示範了兩種塑型的手法:
模具塑型,這是最基本的塑型方式,最早發明玻璃的古埃及就用這個方式來製造玻璃。這個方法可以用於製作形狀比較單純的玻璃器具,如鏡片等。若是要製作中空的玻璃器具,古埃及人的方法是在模具中倒入玻璃液後,在裡面放上一個陶土作的芯,等冷卻後將芯打破就成了中空容器。
充氣法,也就是俗稱的吹製玻璃。這個方法約在西元一世紀被發明,在一根長的金屬管末端沾上玻璃液,然後一邊旋轉一邊吹入空氣來塑型。在這個過程中,會需要多次回爐加熱,反覆的塑型。
在這個過程中我們可以發現,由於地球引力的緣故,吹入空氣後遠離吹管一側的玻璃液往往會特別多,這部份在將來會成為玻璃器材的底部。而吹管口一側也會附著較多玻璃液,則會拿來做成瓶口。
從網路上找到了玄奘大學玻璃製程影片,可以看到動畫中所演示的玻璃吹製,基本上是完全參考現代的工法去畫的。
在動畫中也為我們演示了一種玻璃的添加物-水晶玻璃。在燒製玻璃時加入氧化鉛,能大幅提高玻璃的重量以及透明度,同時硬度會下降而容易塑型,因此是在玻璃工藝中經常使用的素材。另外也由於穩定的光學性質,是常用於光學儀器的玻璃。
不過,水晶玻璃是否真的比較適合拿來做眼鏡?這點並不一定。水晶玻璃的高度透明特性反而會讓一些對眼睛有傷害紅外線、紫外線更容易通過,或許不是件好事。
二、近視
近視是現代人最常見的眼部問題,屬於曲光不正的一種,問題來自於外界的光線無法正常的在視網膜上聚焦。造成近視的原因有兩種:眼球的直徑過長,或是水晶體的彈性下降。普遍來說大家認為近視的成因是來自長時間讓眼睛聚焦於近處的物體,但其實近視的高風險族群之中很大一部分來自遺傳,也就是所謂的先天性近視。西瓜的問題可能就是如此。
近視眼的光學解析
為何近視的西瓜會戴著瓜皮頭套或是瞇眼呢?這可以用針孔成像的原理來解釋。不過在這之前,我們應該先了解,是什麼原因讓投影的影像變得模糊的?道理其實很簡單,模糊就是在投影螢幕上的同一個位置,卻有來自物體不同位置的光成像。因此,同一個位置上疊加了不同的影像,就會造成模糊。
了解了造成模糊的原因,接著來解釋針孔成像吧。所謂針孔成像是指來自物體的光線經由一個無限小的針孔落到投影螢幕上,從而產生影像。從這個描述我們可以知道,針孔成像是絕對不會產生模糊的,因為無論是從物體上任何一點所發出的光,都只有一道能夠準確的穿過針孔而成像。但與此相對的,由於針孔成像大幅的篩檢了能成像的光,使得進光量相對減少很多,因此成像也比較暗。
接下來介紹一下眼球的光學原理。我們的水晶體可以被視為一個凸透鏡,凸透鏡的功能是聚焦,而從眼睛外部進入的光線,正好就聚焦在視網膜上。這時想像眼球的直徑變長了,則物體影像就無法順利聚焦在視網膜,而是往前聚焦了。因此,原本應該聚焦的光反而分散開來,影像便模糊了。
那麼,瞇起眼睛又會有什麼幫助呢?瞇眼的作用是減少進光量。進光量一旦減少,可以造成模糊的光也跟著減少,因此模糊便會得到改善。這是個治標不治本的解決方法,因為這樣在減輕影像模糊的同時,也會讓視野變得灰濛濛一片。
同樣的道理,西瓜的頭套也是通過主動限制進光量來達成減輕模糊的效果。只不過,西瓜頭套上的洞挖那麼大,效果肯定很有限。
因此,為了更有效的解決這個問題,就要輪到近視眼鏡登場啦。
近視眼鏡是一個凹透鏡。我們前面已經提過,近視的成因是影像提早聚焦,因此能分散入射光線的凹透鏡就可以協助聚焦延後,讓影像成功能的聚焦在視網膜上。依據近視的程度不同,焦點位移的距離也會不同,這也就是所謂的近視度數。配眼鏡時需要驗光,為的是確定近視眼鏡的焦距能符合眼球焦點位移的程度。