人類使用玻璃的曆史至少可以追溯到4000年前,時至今日,玻璃更是在我們的生活中無處不在,而如果有人問起一個看起來很簡單的問題:玻璃是固體還是液體?相信很多人都會不假思索地說出答案:“玻璃當然是固體了”。但事實真是這樣嗎?我們不要急着下結論,因為這個問題其實不簡單。
“玻璃是液體”這種說法由來已久,最早起源于人們在觀察一些古老的建築時發現了一種奇怪的現象——這些建築的玻璃窗底部比頂部更厚,于是就有人據此推測玻璃其實是一種非常黏稠的液體,而這些玻璃窗的底部之所以比頂部更厚,就是因為液體在重力作用下向底部流動而造成的。
需要注意的是,上述觀點目前仍然存在着很大的争議,正反雙方都無法拿得出令人信服的證據,但總的來說,大多數人還是認為玻璃不應該在“短短的”幾個世紀内就發生明顯的變形。但這并不代表我們可以就此下結論,認為玻璃就是固體,這是因為玻璃确實存在着一些液體的特征。
我們都知道,液态水在結冰以後就變成了固态,從宏觀的角度來看,液态水在結冰以前是可流動的,而在結冰以後則是剛性的,并且具有固定的形狀和體積,而從微觀的角度來看,液态水在結冰以前,其水分子是雜亂的,并沒有牢固結合,而在結冰以後,水分子的排列就變得牢固和有序,各個原子形成了規則的晶格結構,因此我們能夠很容易地定義水的固态和液态。
但這一招用在玻璃上就不是那麼管用了,盡管在我們的眼中,玻璃也具有固體的特征,但從微觀的角度來看就不一樣了,研究人員通過高倍顯微鏡對玻璃進行觀察後發現,即使是處于類似固體的狀态,玻璃的原子結構也是雜亂的,其混亂程度與液體幾乎沒有什麼區别,而這種原子結構也就意味着玻璃可以流動,隻不過流動的速度極其緩慢。
我們可以看到,玻璃既具有固體的一部分特征,也具有液體的一部分特征,這就讓我們不好定義玻璃這種物質到底是固體還是液體了。我們可以将其定義為“無定形的固體”,也可以将其定義為“高黏度的液體”,又或者将其定義為“既不是固體,也不是液體”的另一種物質狀态。
那麼問題就來了,玻璃為什麼就這麼奇怪呢?著名的《科學》雜志(SCIENCE)曾經在創刊125周年的時候,公布了125個“最具挑戰性的科學問題”,在這之中,“玻璃态物質的本質是什麼”名列第47名,由此可見這個問題其實相當的不簡單。
在過去的日子裡,科學家們一直在試圖弄清楚這是怎麼回事,就目前來看,一項在2008年發表在《自然》雜志上的研究成果似乎能夠對此作出較好的解釋,該研究表明,熔融态物質在冷卻的時候,會形成一種特殊的原子結構,這阻止了晶格結構的形成。
根據該項目的研究人員、布裡斯托爾大學的帕蒂.羅伊爾(Paddy Royall)的介紹,形成玻璃的熔融态物質的黏度會随着溫度的下降而迅速增高,這會導緻其中的原子根本來不及形成規則的晶格結構,而隻能形成一種特殊的二十面體結構,從而無法成為真正意義上的固體。簡單地講就是,這些原子被“困住了”。
值得一提的是,固體和液體在有些時候真的很難區分,比如說瀝青就是液體,但是這種物質擁有極高的黏度,以至于它看上去和固體一樣。為了驗證這個現象,昆士蘭大學的物理學家托馬斯.帕内爾(Thomas Parnell)曾設計了一個著名的“瀝青滴漏實驗”。
該實驗其實很簡單,就是将瀝青置入一個漏鬥中,然後再觀察它的流動情況,但由于瀝青流動的速度慢得令人發指,從1927年實驗開始一直到現在,該實驗中的瀝青隻滴落了9次,并且這9次都沒有被人親眼見證。目前該實驗仍然在進行,被稱為“人類科學史上曆時最長的實驗”。
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