玻璃是固體還是液體？

瀝青滴落實驗有什麼意義？冠冕堂皇一點說：它能夠幫科學家計算瀝青的黏度，能夠直觀的告訴大家很多看起來像固體的物質其實是流體（另一個例子是玻璃）。此外，「滿足好奇心」這個理由你們覺得如何？

這裡提玻璃是流體，有點輕佻。實際上這個問題有點複雜，140個字講不清楚。

於是我找了一篇刊登在加州大學河濱分校數學系主頁上的一篇科普文，編譯一下。

玻璃是固體還是液體？

Philip Gibbs

據說，非常老的教堂上的玻璃都是上薄下厚，這是因為玻璃其實是液體，會慢慢的往下流。這個說法是不正確的。中古時代的玻璃常常限於製造工藝，沒法做得一般厚。於是工匠們會把厚的一邊放在底部。而後來的工藝進步，已經能夠生產出一般厚的玻璃了。

要回答「玻璃是固體還是液體」這個問題，我們必須了解玻璃的熱力學和材料學特性。

玻璃熱力學屬性

玻璃的分子物理學、熱力學特性人們依舊沒有搞得太清楚，但我們依舊能夠給出一個一般性的描述。

很多固體在微觀尺度上有晶體結構。分子會排列成規矩的晶格。當固體被加熱時，分子會在它們自己的晶格位置上振動，直到突破了熔點，晶體分解，分子們開始流動。晶體有明確的固體與液體的狀態區分，轉變的過程也就是所謂的一級相變，即材料有不連續的狀態變化，並且有熱量釋放或是吸收。

晶體的分子排列

而液體有黏度，它是流動阻力的度量。室溫中的水的黏度是0.01泊（P，poise），而較稠的油黏度是1泊。液體在溫度降低時，黏度通常會降低。但黏度也有防止結晶的傾向。一般而言，當液體的溫度降到熔點以下就會固化結晶。有時候，液體會因為沒有成核中心，低於熔點時也不會固化，成為過冷液體。但是，如果在冷卻過程當中，黏度上升得足夠快，液體可能永遠也不會結晶。

黏度不斷且快速的上升，液體成為極度粘稠的濃漿，最終成為無定型固體。這種狀態下，分子的排列是無序的，但分子之間有足夠的凝聚力，能夠保持一定的剛性？——這就是無定型固體，或者叫玻璃。

玻璃的分子排列

有人認為，玻璃實際上是過冷液體，因為它在冷卻當中沒有經歷一級相變。實際上，過冷液體和玻璃之間有二級相變。所以，我們能畫一張圖來描述這個過程。轉變的過程就不像液體結晶的過程那樣明確了，沒有不連續的密度變化，也沒有溶解吸熱。但這個過程依舊能靠材料的熱膨脹係數和熱容量來檢測。

玻璃的性質，可以通過調節冷卻時溫度降低的速度來改變。如果降溫慢，固化可能會發生在較低的溫度，玻璃的質地可能會更加緻密。但如果冷卻得太慢了，液體可能會結晶。因此玻璃化有個最低溫的限制。

玻璃材料的相位轉變，以密度作為溫度的函數

液體轉變成晶體的過程是個熱力學過程，在熔點以下時，物質保持晶體的狀態比保持液體的狀態更有利。玻璃化的轉變純粹是動力學上的，意思是無序化的玻璃態不具有足夠的動能，來克服分子之間的能量勢壘。

在玻璃當中，分子固定在固定的位置上，但排列時無序的。玻璃態和過冷液體都是亞穩相，而不是晶體這樣的真正的熱力學相。原則上來說，在任何時候玻璃態都可能發生自發的相位躍遷，成為結晶固體。有些老玻璃變得不透明就是因為這個原因。

從分子物理學上說，分子排列主要可分成三個類型：

結晶固體：分子有常規的晶格排列

液體：分子是無序的沒有剛性約束

玻璃：分子是無序的但有剛性約束

（說明：這樣簡單的分類不是什麼時候都試用的，科學家還發現了准晶體，處於玻璃和結晶固體之間。）

如果我們能夠斷言，玻璃化是從過冷液體轉變成無定型固體，那麼事情就簡單多了。但事情並不是這個樣子，要複雜得多。聚合材料（例如橡膠），在低溫下有明顯的玻璃化轉變，而玻璃和橡膠通常都被認為是固體。

有時有人說玻璃不是固體也不是液體，玻璃和它們都有所不同。但不是所有人都同意這個說法。

玻璃的材料屬性

一般來說，人們說的固體和液體指的是材料的宏觀特性而不是分子排列。畢竟，在分子物理學誕生前很久，玻璃這種材料就為人們熟知了。宏觀上來說，材料表現出的特性非常廣泛。理想狀態下，固體、液體、玻璃的特性可以用可壓縮性、黏度、彈性、強度和硬度來描述。但是，材料並非總處於理想狀態下。例如，在高壓之下，我們可以讓水從液體直接變成氣體而不發生相位變化，所以，在某些階段，一定有處於理想液體和理想氣體之間的狀態。

結晶固體和液體之間的界線非常清楚，但玻璃呢？那麼，聚合物，凝膠，泡沫，液晶，粉劑和膠體神馬的又如何界定呢？有人聲稱，固體和液體之間沒有嚴格的界線。他們認為固體只不過是黏度非常高的液體，黏度在1013泊上的就是固體，以下的就是液體。（譯者：只定義液體的想法真棒！）

但從另外一個角度上看，這個想法忽略了液體的黏度和固體的可塑性之間的區別。一個理想的牛頓流體的變形速度，和其黏度還有施加的應力大小成正比。蜜糖、松脂、橡皮泥的黏度非常之高，因此在自身重力的作用下下落得非常慢。另一方面，塑料本身非常軟，但依舊被當做固體。因為，它具有剛性和不流動性。

當受到小的應力的時候，固體能表現出彈性。當應力消失時，形變就會消失。但當施加更大的力的時候，有些固體折斷了，有些會變現出可塑性。例如當應力消失的時候，一些變形的塑料不會還原。有很多金屬擁有可塑性，例如銅。塑料在變形時所受的阻力被稱為粘塑性。和黏度不同，粘塑性有一個最小的應力極限，稱作彈性極限，如果施加的力比它小，就不能體現出可塑性。擁有可塑性的材料不會流動，但是會「蠕變」，意思是如果不受到恆定的應力，它們就會慢慢的變形。

所以，用黏度和可塑性來區分固體和液體也不太好。另一種定義固體和液體的方式是：如果一種材料擁有一個讓它產生永久形變的最小應力值，那它就是固體。這是「物體擁有剛性」的一個精確描述。於是，液體能夠描述成能夠流動的材料。如果將流體放在一個容器當中，它肯定會流動，知道表面呈現出水平的狀態。但麻煩的是，這兩個定義沒法涵蓋所有的材料。

例如粘彈性材料就有有限的流動性。在應力作用下，這種材料會發生形變。如果應力施加得足夠久，形變會是永久性的，即使這個應力很小。於是，具有粘彈性的材料很可能一開始能流動，但慢慢的流動就停止了。這種情況之下，想要區分液體和固體是徒勞的。

不同類型的玻璃

可以肯定的是，古舊的窗玻璃都不會流動了。我們需要認識不同的玻璃擁有的不同屬性。玻璃可以由純的二氧化硅製成，熔融的二氧化硅的玻璃化轉變點很高，有1200℃，這使它很難做成穿玻璃或是瓶子。至少在2000多年前，人類學會了在加熱前往二氧化硅中加石灰和蘇打，來降低軟化溫度。於是，玻璃中就有了鈉元素和鈣元素。

如今，鈉、蓋玻璃使用極廣，我們用的玻璃杯還有玻璃窗戶基本都是鈉鈣玻璃做的。測量不同種類玻璃的玻璃化溫度不容易，因為這個過程還取決於冷卻的有多麼慢。現代的鹼石灰玻璃若是快速冷卻，在550℃時就可以玻璃化。人類所知最低的玻璃玻璃化溫度為270℃，冷卻速度需要非常之低，稍高於這個溫度的玻璃熔融液依舊能被當成是過冷液體。像派克斯玻璃這樣的基於硼硅酸鹽或硅鋁酸鹽的耐熱玻璃，擁有更高的玻璃化溫度。而一些含鉛的玻璃擁有較低的玻璃化溫度。

有人說，望遠鏡的鏡頭就能說明玻璃不會流動，一些望遠鏡都有150多歲了，依舊有很棒的光學性能。如果有一點點的變形，望遠鏡就沒法用了。但實際上，光學玻璃和一般的玻璃能一樣么。相比一般的硼硅酸鹽或鹼石灰玻璃，光學玻璃種還添加了許多別的金屬元素，來提升強度或者光學特性。所以老的望遠鏡和鏡頭能夠作為一些玻璃不會流動的證據。

另一個顯示一些玻璃不會流動的證據是石器時代的黑曜石箭頭歷經長久的歲月依舊可以保持鋒利。同樣，黑曜石這種玻璃的主要成分是二氧化硅和硅鋁酸鹽，比車窗玻璃更加強硬。但缺乏很好的證據來證明舊窗戶玻璃不會流動。

要找到一般的玻璃不會流動的證據，我們得去檢視一些很老的玻璃製品。早起的玻璃瓶和窗玻璃在製作前都會往硅酸鹽中摻入蘇打和石灰，有時候也會用碳酸鉀（譯者：其實是草木灰吧）代替。因為其中常常含有很多雜誌，所以它們的強度一般比現代的鈉鈣玻璃要低。古代的工匠還會添加一些別的化合物，來改善強度，增添顏色。

公元1世紀的時候，羅馬人就能製造玻璃瓶了，儘管它們很脆弱，但在博物館當中我們依舊能夠找到一些。儘管過了2000多年，這些羅馬人製作的瓶子依舊沒有流動的跡象。而那些早期的教堂窗戶上的玻璃，也可以作為證據。德國奧格斯堡大教堂天窗天窗上有5塊產自1050年到1150年之間的玻璃，它們應該是最古老的窗玻璃。

有很多人主張（尤其是導遊），古舊玻璃因為緩慢的流動在變形。這已經成為了一個神話了。但如果考慮到流動的特性，窗戶之間的縫隙神馬的應該會在玻璃上留下痕迹，玻璃也可能流入窗戶的框架當中。但這樣的痕迹不存在。玻璃的「變形」，更可能是因為中古時期玻璃製造工藝的缺陷。自從人類可以製造處平整的玻璃，這種現象就不存在了。

但是，要完全驗證窗玻璃是否有流動非常難，因為玻璃的初始狀態沒有被記錄下來。在很罕見的情況下，彩色玻璃在製作過程中被添加了鉛，這使玻璃變得更軟也變得更重。這些玻璃會因為自重而變形嗎？只有認真的研究和分析，才能回答這個問題。30多年來，康寧玻璃博物館的羅伯特·布里爾一直在研究古董玻璃。他曾分析過很多舊樓中的玻璃，分析它們的理化性質。

他對玻璃神話有很大的興趣，一直期望證明或是證偽。在他看來，中世紀的彩色玻璃在過去幾個世紀內發生了流動是不真實的。他認為那些玻璃的上薄下厚，以及舊玻璃上的波紋，更可能是製作過程當中的瑕疵。其他專業人士也有類似的觀點。從理論上說，已測得的玻璃黏度顯示，在幾個世紀內玻璃也不應該有顯著的變形（譯者：顯著的意思是被你們看出來了）。

結論

對於「玻璃石固體還是液體」這個問題，目前並沒有明確的答案。從分子動力學和熱力學上的某些角度來說，玻璃可以看成是高粘度的液體，是無定型固體，或是既不是液體也不是固體的另一態。這其中的不同，僅僅是語義上的。從材料學來說，我們能給出更好的答案：固體和高黏度的液體之間沒有明確的定義。

這裡所說的相或者態無關理想或是真實情況。然而，從常識上來說，玻璃是固體，因為它是剛性的。使用「過冷液體」來描述玻璃的情況依舊存在，但不幸的是，很多人認為這是用詞不當，應當避免。在任何情況下，玻璃窗變形神馬的說法都是未經證實的。古羅馬的玻璃器皿和對玻璃黏性的測量實驗都說明那是不正確的。人們觀察到古舊的玻璃上薄下厚更應該歸結於當年不完善的玻璃製作方法。

文/花落成蝕

九天攬月微信號：jiutianlanyue91

九天攬月帶你飛！雲層外，生活中。我們不僅有前沿的航天科普、科技趣聞，還有夠酷的GEEK物件，夠震撼的科幻圖文。和九天攬月一起守望地球吧！