玻璃：熟悉的陌生人

撞到一块透明的玻璃，似乎稀松平常。然而，在塑料出现之前，玻璃几乎是唯一常见的透明材料。

它不像钻石水晶那般稀有，也不像冰那样易融，它拥有恰到好处的硬度，可以被加工成各种形状。这些完美的特性甚至使它成为了人类文明进步和科学革命的基础。但我们是否思考过，玻璃为什么是透明的？

一块普通的玻璃，在可见光下清晰透明。然而，在紫外光下，它却变成了黑色屏障，遮挡住了一切。

而通常不透明的黑色垃圾袋，在红外成像仪下，却如同不存在一般，可以轻松看穿其内部的物品。

由此可见，“透明”是一个相对的概念，它取决于所观察的光的种类。透明的垃圾袋在可见光下不透明，但在红外光下透明。

玻璃在可见光下透明，但在紫外光下不透明。如果一个只能看到紫外线的外星生物近视了，可不能用玻璃镜片制作眼镜。

玻璃的特殊之处在于，为什么在我们人类眼中，几乎只有玻璃是透明的？光照射到物体上，有三种可能的结局：反射、吸收和透过。物体反射和吸收的光越多，透过的光就越少，看起来就越不透明。

大部分物体都会反射光，这才使得世界丰富多彩。金属表面闪耀的光泽，是因为它们对光的反射率很高。

镜子正是利用表面镀银层的反射，来呈现影像。即使光穿透了物体表面，进入其内部，也很可能被吸收。因为即使看起来很均匀的物质，在微观层面上也并非均匀，光线进入物体内部后会被散射，最终被吸收。所以，世界上大部分物体都是不透明的。

但玻璃与众不同，它既不怎么反射光，也不怎么吸收光。可见光遇到玻璃就像视而不见，直接穿过它的原子。

为什么玻璃不吸收可见光呢？这就要涉及到电子跃迁的概念。物质由分子构成，分子由原子构成，原子包含电子，电子具有不同的能级。

电子通常处于低能级状态。如果一束光的能量恰好能够使电子从低能级跃迁到高能级，电子就会吸收光并跃迁。而且电子非常“挑剔”，能量过高或过低的光它都不会吸收，只有能量恰好等于能级差的光才会被吸收。

固体中的电子能量不再是精确的能级，而是一条条宽泛的能带。只要光的能量大于两条能带之间的间隔（带隙），电子就会吸收光。在金属中，电子可以自由移动，带隙为零，这意味着金属会吸收所有光，因此不透明。而钻石、水晶、宝石、冰、盐等固体，它们的电子处于稳定的共价键或离子键中，需要很高的能量才能使它们跃迁。

例如，钻石的带隙为5.5eV，这意味着只有能量高于5.5eV的光才能被钻石吸收。可见光的能量只有1.6到3.2eV，所以这些物质对可见光视而不见，因此是透明的。

玻璃的主要成分是二氧化硅，带隙约为9eV，远高于可见光的能量。可见光照射到玻璃上，能量不足以激发电子跃迁，所以玻璃对可见光透明，而对能量更高的紫外线则会吸收。

基于能带理论，我们可以解释物质的颜色和透明度。看起来，玻璃与钻石、宝石、冰糖一样，只是因为带隙很宽，所以透明。

只是因为钻石昂贵，宝石稀少，冰易融化，糖要食用，玻璃才成为最常用的透明固体。

然而，上述解释存在一个问题：能带理论是基于晶体结构提出的。而玻璃，它根本就不是晶体！晶体具有高度有序的结构，而非晶体结构无序。

玻璃内部是由不规则的二氧化硅网络组成，其中镶嵌着钠、钾、钙离子，呈现出短程有序、长程无序的混乱结构。理论上，我们不应该用能带理论来解释结构无序的玻璃。

对于玻璃透明性的解释，目前只能说玻璃由许多微小的晶体构成，所以可以用能带理论来解释，但这只是一个权宜之计。

1932年，扎卡里亚森提出了玻璃的第一个结构模型，但直到今天，仍然没有人能够完全理解玻璃的本质。有人认为它是固态，有人认为它是液态，科学家们甚至专门为它定义了一个新的状态——玻璃态。

2005年，《科学》杂志创刊125周年之际，提出了125个最重要的科学问题，其中就包括：“玻璃态究竟是什么？” 与之并列的问题包括：“宇宙是唯一的吗？”“时间和其他维度有什么不同？” 玻璃，这个看似普通的材料，竟然蕴藏着如此深刻的科学谜题。

从5000年前古埃及人烧制出第一块人造玻璃，到2000年前汉代人用玻璃制作陪葬品，再到中世纪欧洲教堂的彩绘玻璃，以及400年前科学先贤利用玻璃进行科学探索，玻璃一直伴随着人类文明的发展。如果没有玻璃，就没有望远镜、显微镜、相机、手机屏幕，甚至可能没有生物、化学、环境、材料等学科

玻璃的意外发明推动了科学的进步，而科学的进步又促使人们更加深入地研究玻璃。然而，在科学如此发达的今天，回望这个陪伴了我们几千年的老朋友，我们却仍然只能问一句：“你是什么？”