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現(xiàn)代玻璃材料科學之父——奧托·肖特

2018-05-25 來源:《現(xiàn)代物理知識》雜志

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  肖特的博士論文題為《論玻璃制造的理論與實踐》,共60頁。引言部分的一句寫道“玻璃制造一直缺乏科學研究”,一針見血地指出當時該領域存在的問題。論文主體列為三部分,分別從原材料、熔融和結(jié)晶產(chǎn)物方面進行了詳盡闡述。在原材料部分,肖特提議使用硅酸鈉或使用石膏、硫酸鈉和碳的混合物,以減少硫元素的損失。在熔融部分,肖特將此過程劃分為兩個階段,即真熔融過程和澄清過程,前者是化學過程,后者則主要是物理過程,通過實驗證明,只有通過緩慢加料,才能達到完全熔融狀態(tài),從而避免缺點的生成。肖特還仔細研究了硫酸鹽熔融過程中發(fā)生的化學變化,證實了硫酸鹽與一氧化碳反應,產(chǎn)生出二氧化碳。在結(jié)晶產(chǎn)物部分,肖特研究了所謂的去玻璃化即玻璃結(jié)晶現(xiàn)象。在此,他將表面結(jié)晶和整體結(jié)晶區(qū)分開來,并提出了其可能的機理。他認為,玻璃是晶態(tài)硅酸鹽溶于非晶態(tài)硅酸鹽的固態(tài)溶液,結(jié)晶過程即為前者析出過程,他力圖從分子動力學角度進行解釋,并通過實驗予以證明。肖特還在論文中精心繪制了許多插圖,配合文字說明所述論點(圖1)。

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  圖1肖特博士論文中的一些描述玻璃結(jié)晶的插圖

  總體而言,肖特的博士論文嘗試通過科學理論和科學實驗,對玻璃制造過程中所觀察到的現(xiàn)象作出基本層面的解釋,并提出改進措施,按照今天的標準,乃是一篇富有創(chuàng)新思想的研究型論文。該論文之所以被萊比錫大學的審委會“封殺”,現(xiàn)在看來主要有如下幾個原因:首先,玻璃制造在當時被看作一門技術,而非科學(正如肖特博士論文一句所強調(diào)的),當時的一些較傳統(tǒng)的科學家不太能接受一篇論文涉及較多的“技術”問題。其次,論文主審人柯爾貝雖然學術名望頗高,但也以其對學術新思想不夠?qū)捜荻忻?,例如,當年輕的范特霍夫(J.van’t Hoff,一屆諾貝爾化學獎獲得者)提出碳的立體化學概念時,柯爾貝便不分青紅皂白地嘲笑他的觀點,不把他放在眼里,而后來事實證明,范特霍夫是對的。另外,柯爾貝在成為教授之前,曾擔任科學編輯和作家,說明其文字功底很強,他拿自己的文字水平來衡量肖特的論文,于是得出了上文提到的負面結(jié)論。第三,肖特畢業(yè)于一所職業(yè)中學,而非更高一級的文理中學,這使得其簡歷看上去不夠“上檔次”,給論文審核帶來了負面影響,關于這一點,肖特自己曾有所提及。實際上,這種“簡歷偏見”在現(xiàn)今的德國社會依然存在。受肖特耶拿玻璃設立資金會資助,由耶拿大學保管的肖特博士論文被加以編輯整理,于2001年由德國布薩特-施塔德勒出版社以書籍形式重新出版。

  耶拿三杰——蔡司、阿貝和肖特

  取得博士學位后,肖特回到之前離家鄉(xiāng)不遠的化工廠,在那里從事玻璃研究至1878年,之后干脆把家中的地窖和閣樓當作實驗室,繼續(xù)開展他的研究工作。1875~1881年間,肖特發(fā)表了多篇論著,包括《玻璃熔融的化學過程》和《關于普通玻璃的結(jié)晶產(chǎn)物》(這兩篇的內(nèi)容分別是其博士論文的后兩部分,稍作修改)、《關于玻璃的組成》、《關于玻璃與硬玻璃的冷卻》、《玻璃制造中從硫和格勞布鹽獲取石膏》、《玻璃硬化研究》以及《關于無機熔融化合物——一系列化學晶體學研究》。頗有意思的是,上述一篇論著由德國布倫瑞克市的費維克出版社出版,該出版社以擅長出版科學著作聞名,歷史上曾出版過不少化學經(jīng)典專著,而當年強烈批評肖特的柯爾貝曾在那里擔任科學編輯。

  盡管已不在耶拿,但肖特與耶拿似乎緣分未盡。1879年,他給耶拿大學的物理教授阿貝(E.Abbe)寫信,說他近制得了一種鋰成分含量較高的輕質(zhì)玻璃,可能具有優(yōu)異的光學性能,請阿貝幫助檢驗一下該玻璃的物理性能,并隨信寄去了樣品。阿貝這個名字在物理界并不陌生,光學里有名的阿貝公式就是以他命名的(圖2)。阿貝1840年1月23日出生于愛森納赫,1857~1861年間在耶拿大學和格廷根大學學習物理和數(shù)學,并在格廷根大學取得博士學位,之后前往法蘭克福,在那里的物理學會工作,1863年取得耶拿大學數(shù)學和物理講師資格,1870年成為耶拿大學教授,之后還擔任過耶拿天文臺臺長。肖特比阿貝小將近八歲,1879年他給阿貝寫信之時,后者已經(jīng)是享有世界聲譽的物理學家。不過,肖特給阿貝寫信不僅僅是因為他在光學領域的顯赫地位與學術成就,還有一個重要原因在于,阿貝當時與設在耶拿的蔡司工廠關系密切。蔡司公司如今是世界上赫赫有名的光學儀器和準確機械制造商,以其創(chuàng)立者蔡司(C.Zeiss)命名。

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  圖2耶拿市路邊豎立的紀念阿貝及其公式的石碑

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  蔡司于1816年9月11日出生在離耶拿不遠的魏瑪市,1834~1838年在耶拿大學機械師科納(F.Körner)下做學徒,并在此期間聆聽了不少大學數(shù)學和自然科學的課程,但蔡司并沒有走學術道路,而是按照既定的人生規(guī)劃成為了一名機械師。1838~1845年間,蔡司游學并工作于斯圖加特、達姆施塔特、維也納和柏林,擴充了自己在物理、數(shù)學和機械方面的知識。1845年,他回到耶拿,并于次年開辦了一家機械作坊,此即為今天蔡司公司的前身。1847年,蔡司制造了他的一架顯微鏡,此后,顯微鏡就一直是蔡司廠的要點產(chǎn)品。1866年,蔡司開始與比他年輕24歲的阿貝正式合作,后者憑借其扎實的光學理論知識幫助蔡司改進和優(yōu)化顯微鏡的制造。兩人合作非常成功,蔡司工廠在短短幾年之內(nèi)發(fā)展成為當時世界上先進的顯微鏡制造商。1875年,蔡司慷慨地讓阿貝成為公司的合伙人,阿貝從此進入蔡司公司的管理層。


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