范春萍 | 试谈玻璃的方法论价值：从近代自然科学的发展说起

来源：科学的历程

在科学研究中，发明一种好的工具往往比科学发现本身更重要。科学仪器，是人类感官的延长，是理性认识方法的物化，科学仪器的制造是改进科研手段的重要途径之一。构成仪器的材料中，有结构性的，有功能性的，后者主要用来实现仪器的原理，具有更大的方法论价值。

近代，自然科学发展的形式主要是在观察实验所获资料的基础上进行理论综合。实践作为自然科学的基础在这一时期体现得最为充分。科学实验在近代初期从生产实践中分化出来成为独立的实践活动。古人仅凭感官去体察自然界，近代则开始采用人工延长器官。观察，有直接观察和实验观察。近代人们用以观察和实验的仪器中，应用最广泛的应首推玻璃制品。玻璃兼具透光、轻便、可塑、可延展、耐腐蚀、耐磨、绝缘等特性，在近代自然科学延长人类感性器官、物化人类理性方法方面，实现了它巨大的方法论价值。

纵观科学的历史，几乎每门自然科学，在其发展中，都与玻璃发生过关系，甚至可以说，玻璃在某些自然科学的发展中起着至少是起过决定性的作用。这些自然科学大体包括流体力学、测温学、光学、天文学、实验化学、实验生物学、医学等等。历史告诉我们，玻璃是近代自然科学的助产婆。

玻璃属无机非金属材料，最开始是用砂子、石灰、苏达混合烧制的，后来由于苏达使玻璃怕热而改用硼酸。为了防震，人们在玻璃中加入透明胶层，为了过滤、选透各波段的光线，人们在玻璃中选加各种金属离子，制成彩色玻璃，以利于对光线进行分门别类的研究和利用。玻璃，可以像钢铁一样被压榨和铸型，可以像面泥一样用圆棒碾平和塑形，可以像肥皂沫一样被吹泡，像铜一样拉成细条和细丝，像大理石一样研磨和抛光，像木料一样钻孔和切割，像瓷器一样坚硬、耐腐蚀、绝缘，但却没有任何一种材料同时具有这些属性。

人们对玻璃的认识有50多个世纪的历史了。公元前3000多年，古埃及就开始大规模生产玻璃，但直到纪元初，人们才知道玻璃可以制成透明的。我国古人自西周时就会制造玻璃，但几度失传，我们自己发明的玻璃在我国科学史上几乎没起过任何作用。中古时代，阿拉伯医生在对眼病做手术时发现了眼的结构。从此他们在光线通过透明体的新意义下，了解到折光学，导致了透镜的应用。14世纪，意大利最先开始造眼镜。17世纪初，人们在无意间发明了望远镜和显微镜，从此玻璃的应用就更不同了。除了光学镜之外，吹玻璃术带来的一系列产品及19世纪发明的光栅等，都对科学起到了巨大的推动作用。

玻璃化学家可以用不同物质按不同比率制出各种各样千差万别的玻璃，人们对玻璃的使用习以为常，很少有人去设想没有玻璃的后果和有玻璃的意义。事实上，生活和科学都离不开玻璃。在自然科学的发展史中，玻璃所发挥的更重要的作用，就在于它不断地改进了人们的认识方法。

恩格斯在《自然辩证法》中说：“自然科学借以宣布其独立，并且好像是重演路德焚烧教谕的革命行为，是哥白尼那本不朽著作的出版，他用这本书向自然事物方面的教会权威挑战”，“自然科学便开始从宗教神学中解放出来。”“科学的发展从此便大踏步地前进了”（《自然辩证法》1971年版第8页）。但是，这种前进也是充满曲折和阻碍的。一方面，哥白尼的学说是不完善的，他认为行星绕日的轨道是正圆形，因此虽然简单但在计算上不及托勒密体系；其次，哥白尼学说触犯了宗教教义，颠倒了《圣经》中人和神的位置，被斥为异端邪说，遭到查禁；另外在这个理论预言的一系列现象未得证实前，它只能是假说。

望远镜是人类用于科研的第一个人工感官，证实哥白尼理论的四项主要成就中，有三项伴有望远镜的功劳。首先，1909年，意大利科学家伽利略（1564-1642）听说荷兰米德尔堡的眼镜商造出了能将远处的物体放大的东西，立即意识到这一发明的重大意义，便用聚光透镜和散光镜组合，制出了第一架天文望远镜。伽利略把自己的成果用于天文观测，发现了哥白尼学说预言的金星盈亏；发现月球像地球一样平凡，凸凹不平、布满环形山；发现木星有四个小卫星，他把它看成是太阳系的缩本；发现银河是由许许多多小星星组成的；发现了仙女座大星云等等，并把这些发现介绍给世人。正是这些无可辩驳的事实捍卫和充实了哥白尼的理论，使之为当时不抱成见的人们所笃信不疑，抛弃了亚里士多德理论中那些天体比地球完善和优越的观点。伽利略之后，更多的人用望远镜观测天象，出现了捷报频传的局面。法国的加桑迪、英国的霍罗克斯（1619-1641）分别于1631年和1639年，发现水星和金星的凌日现象；1647年德国的赫维留（1661-1687）刊布第一幅月面图和每月每天的月相图，1678年哈雷（英，1656-1672）编制了第一个南天星表：1655年后，惠更斯（荷兰，1629-1695）等人接连发现土星的几个卫星和土星光环；1705年哈雷发现第一颗周期彗星，1718年又发现恒星自行；1750年英国的赖脱（1711-1786）首次提出银河是天上所有星星组成的一个偏平系统，形如车轮。望远镜出现后，人们还用之看到了很多双星、聚星，特别是云雾状天体，并且把星云分为无星星云和有星星云，后者是我们现在所说的河外星系。在此启发下，1755年康德（德，1724-1847）提出太阳系起源的星云说，在僵化的形而上学自然观上打开了第一个缺口。自此以后，人们便开始用发展变化的眼光看世界了。其次，19世纪30年代后，贝塞尔（1781-1846）、享德森（1798-1844）、斯特鲁维（1897-1963）等人相继发现哥白尼体系预言的另一现象——恒星的视差。最后，柏林天文台的加勒，用望远镜找到了由亚当斯和勒维烈根据日心说和万有引力理论预言的未知行星——海王星。至此，哥白尼的学说最后确立为理论。这期间天文学的一系列发现及18世纪下半叶威兼·赫舍耳（1792-1871）的工作开创了恒星天文学。19世纪中叶，依玻璃物理特性而发展出的照相术、分光术、测光术等应用于天文学，诞生了研究天体的物理特征、化学组成和内部结构等的天体物理学、天体演化学等。

望远镜使人们突破了自然的局限，从伽利略首次用望远镜观天以后，天文学的发展和望远镜的发展便息息相关了。随着照相术、分光术、测光术等仪器对望远镜的辅助，近代天文学的发展史几乎成了玻璃光学仪器的发展史。人们制造的望远镜越大，所观测到的天体越多，视域越广。现代射电望远镜的发展和运用，更开阔了人们的眼界，使人在电磁波的全波段上观测200亿光年的宇宙范围，天文学分化出许多细支。但天文学从近代始就与玻璃结下了不解之缘，是望远镜开创了近代天文学。

光是人们赖以感受大自然的条件，一切观察都要靠光来进行，然而赤手空拳的人们对光是无能为力的。人们固然可以在一些自然现象中看到或体会到一些光的属性，如水对光的折射作用，古希腊的托勒密就曾测过水对光的折射角。但唯有玻璃，由于它具有可塑、可磨、透明等属性才使人们得以摆布光线，使光线在人们面前呈现各种各样的状态、暴露各种各样的性质。人们借助玻璃从不同角度对光线进行反复研究，几乎整个几何光学都和玻璃有关。

远古时候，由于玻璃的粗糙，没能给光学带来什么帮助。中古，阿拉伯医生对眼病的研究引起了人们对玻璃的重视，因为人们发现眼构造中的光学部件与凸透镜相似，便把透光镜用于放大看书，以后又装框制成眼镜。眼镜的使用促进了光学的研究，正是在对玻璃光学性质的研究中增加了人们的光学知识。透镜是人类感官的最早扩展，像机器曾延伸人的肢体一样，它使人们更能接近于自然。在伽利略借望远镜的羽翼遨游太空的时候，德国科学家开普勒（1571-1630）细致地研究了望远镜的光学原理，是近代光学史上第一个取得突出成就的人。早在1604年前，开普勒就对眼镜水晶球、镜子、透镜及透镜系统的敛、散光线性质做过研究，并发表过论述几何光学的论文。1611年他在对望远镜性质进行研究的基础上，发表了《折光学》。

玻璃的透明可塑性质，不但可使人们借此支配光线，还可用它来使液体定形，以便研究各种不定形液体的光学性质。

牛顿（1642-1727）用玻璃三棱镜做的白光色散实验，可以说是人类研究物理光学的开端。此后物理光学中有关光的干涉、衍射、偏振等现象的研究，虽然不再只是依靠玻璃，但以玻璃仪器所做的实验仍起着重要作用，例如：牛顿环、菲涅尔双棱镜、付科双镜等实验。

19世纪初，夫朗和费研制了第一块衍射光栅，是用钻石在一块玻璃上划出一道道平行的等距离直线。光通过光栅后，就向各个方向衍射，在每一方向上得到组成光的某一特定颜色，为光谱学建立了现代实验方法。只要知道光栅的条痕间距，便可算出每条谱线的波长。

基尔霍夫（1824-1887）和本生以光谱中的明线作为某一元素存在的标志，使科学界很快发现了十几种新元素。里德堡（1854-1919）发现如果以每个单位长度内的波长数目代替波长本身，则若干元素的相类似的光谱线可用简单的差数表示：R（λ/m2-λ/Ω2），其中R是里德堡常数，Ω为正整数。这是原子物理和量子力学中的重要公式。当时光谱分析中得到光谱的两种仪器，棱镜和光栅，都是玻璃制品。

玻璃是光学的支柱，可以说没有玻璃就没有光学。

显微镜，玻璃材料的又一宠儿，它公认最早是1590年由荷兰光学家詹森发明的。经伽利略、列文虎克（1632-1723）等人发展后，进入生物学研究领域，它第一次在人们面前展现了植物界、动物界之外的生物第三界域——微生物界。

发展出了微生物学、细胞学、细胞病理学、细菌病源学、胚胎学等生物学新分支。至此生物世界的所有领域都暴露在人们面前，开始了对宏观生物现象的微观基础的全面探索。

首先，生理学。伽利略和列文虎克开始的以显微镜研究生物现象的工作，到17世纪末达到兴盛。1660年即哈维（1578-1657）发表《心血运动论》提出人体血液循环理论后32年，意大利科学家马尔比基（1578-1659）用显微镜成功地看到了蛙的肺部毛细血管。1688年列文虎克又在蝌蚪的尾巴里和青蛙的脚里看到了血液通过毛细血管的实际循环过程，解决了动物体内血液流动的环接问题，确立了可以和哥白尼日心说相提并论的哈维的血液循环理论，奠定了人体生理学的基础。17世纪，列文虎克等人先后在显微镜下发现了动物的精子和卵子，意大利博物学家斯帕朗扎尼通过对狗精子和卵子受精过程的研究，揭示了动物的性生殖过程。在此启发下，1694年德国植物学家卡梅拉留斯（1665-1721）揭示了植物的性生殖过程，充实了生理学的内容。

其次，细胞生物学。1665年，英国物理学家罗伯特·虎克（1635-1705）用显微镜观察软木切片，发现它有蜂巢样的构造，虎克称之“小室”（cell），后来成了生物学上的专用语，汉译为“细胞”。发现细胞以后很长时间，人们虽然积累了不少现实材料，但尚不能从根本上进行理论概括。德国植物学家施莱登（1804-1881）经过细致大量的植物显微研究后，于1838年发表《有关植物发育的资料》一文，总结当时的成果，提出一切植物体均起源于细胞的观点。1939年，德国动物学家施旺（1810-1882）把施莱登的结论推广到整个动物界，出版专著《关于动物和植物在构造和生长上相适应的显微研究》。自此，整个生物界便统一在细胞基础上了。细胞学说的确立证明了有机界的统一，它是近代生物学的基础之一。不仅如此，它还在形而上学自然观上打开了又一缺口，促进了人们对自然过程相互联系的认识。恩格斯说：“有了这一发现，有机的、有生命的自然产物的研究，才得到了巩固的基础，现在已表现为一个过程。这个过程是依据一切多细胞的机体本质上所共同的规律进行的。”（《自然辩证法》1917年版，第176页）而这一切又实在应归功于消色差显微镜的使用，是用不同玻璃折光度不同的原理改进的消色差显微镜，使人们得以完成这样伟大的发现。

再次，微生物学及医学。1675-1683年间，列文虎克用显微镜首次发现轮虫、滴虫和细菌等微生物。不过与细胞学说的发展一样，17世纪虽然看到了微生物，但由于当时的显微镜有很强的色差，不能对之进行更细的研究。18世纪下半叶，消色差显微镜成功后，细胞学说和微生物学说才得到了长足的进展。法国生物学家巴斯德（1822-1895）的工作奠定了微生物学的基础且影响了医学，使人们发现并战胜了引起外科手术感染的细菌，还发现了一些致病菌和减毒致病菌的免疫性，发展了细菌病源学和由琴纳开始的接种免疫学。德国病理学家微耳和（1821-1902）做过多年尸体解剖工作，他将自己从尸体和病人身上得到的材料, 在显微镜下认真研究，创立了细胞病理学。

19世纪，采用高倍浸没物镜和台底照明，又发现了苯胺等染料对有机细胞部分特别是细胞核的染色作用。人们在原来所发现的细胞分裂生殖的基础上又详细研究了有性生殖过程中精卵细胞核的结合过程，提出细胞核是遗传的物质基础，为遗传学说的确立奠定了雄厚的基础。

总之，近代生物学的每一发展都包含着功能性部件如玻璃透镜的显微镜的功劳。近代生物学绝大部分是在显微镜下进行的，显微镜使生物学走向全方位研究。

20世纪量子化学诞生之前，“不会摆弄试管的化学家不是化学家”可以说是一条无反例“经验定律”。化学是炼金术的后裔，8世纪阿拉伯炼金术士所用的仪器中就有烧瓶。科学社会学家贝尔纳指出：“全部近代化学据为基础的希腊化学，在技术上所具有的种种成就，是由于改进蒸馏甑上所需要的吹玻璃术以及制备纯净物料的方法”（《历史上的科学》第127~128页）。可以想象，没有轻便、透明、耐腐蚀、可塑、可铸、可加色、耐磨等等性质的玻璃，是不会有今天的化学的。没有玻璃，化学实验中所用的具有强烈腐蚀作用的酸、碱溶液的盛装，易挥发、易潮解物品及各种气体的贮备，怕光又有腐蚀性或极纯物质的保存，各种反应过程的观察及为加速反应所进行的搅拌等等，都将无从进行。现在的人们可以极力去想象玻璃如上各种用处的代替物，但完全可替代玻璃的物料是没有的。何况科学的历史发展是需要契机的，如果没有方便可行的办法做进一步的发展，一些当时的现象或想法便会被淡忘或贻误以至放弃。

另外，玻璃仪器所带来的又一成果，引起了化学发展中的重大转折。由波义耳（英，1627-1691）所开始的气体定律及一系列定量定律的发现，导致了道尔顿（英，1766-1844）的原子论及其后阿佛加德罗（意，1766-1856）分子假说的提出。自此，化学有了自己的理论基础，恰恰波义耳当时也是在玻璃管的辅助下发现那一定律的。玻璃是化学的产床，化学家曾以会摆弄试管为标志。

同光学中以玻璃容器盛装液体研究其光学性质及化学中用吹玻璃术带来的各种产品分析物质的化学性质同时，流体力学和测温学也得益于玻璃。

1593年，由伽利略始造的温度计，是生产、生活和科研中用途最广的仪器之一。当时，伽利略把一个麦秸粗细的玻璃管浸入水中，通过把其上端的玻璃泡预先受热，使水沿管子升高一些，这就是最原始的温度计。后来，法国物理学家让·雷作了改进，把伽利略温度计倒过来，将水注入玻璃泡中，让水沿玻璃管上升，以水柱标志温度值。1636年，工匠们成功地选择了玻璃泡和玻璃管的相对大小，使液体一年中都在玻璃管的长度内升降。温度计的使用发展出测温学，而这些又有哪一步能离开玻璃呢？

1643年以前，真空问题只是哲学争论的内容。1643年伽利略的学生托里拆利（1608-1647）和维维安尼（1622-1703）依据其老师的思想设计了第一个检测气体压力的实验，他们将一端封闭的细玻璃管装满水银后，倒立在盛水银的玻璃槽中。玻璃柱总保持一定高度，管的上端出现一段真空，他们大胆地得出结论说大气的压力等于管中高出槽中水银面汞柱的重量。于是制成了气压计，有了测量气体压力的有效手段并成功地得到了真空，给了亚里士多德理论以最后的致命一击。

托里拆利的实验1644年被介绍到法国，但法国的巴斯卡（1623-1662）直到1646年才重复了这个实验，原因是他没有合适的玻璃管。可见，玻璃管不是可有可无的。

由于电绝缘性，使玻璃在静电学中应用较广。1790年开始研究动电前，电学仅限于静电。人们最早定性研究电时，就把电荷分为两种：玻璃电和松香电。静电的研究离不开玻璃棒、玻璃板等，连使人们得以积蓄大量电荷从而开始研究动电的莱顿瓶也是一个玻璃瓶。1745年卡明大主教第一次给玻璃瓶充电成功。后来，物理学家穆欣布罗克给瓶中装水充电，制成了电学发展史上有划时代意义的莱顿瓶。这其中，玻璃瓶的使用也绝不是巧合。

另外，一些仪器放在玻璃罩内操作，既能避免操作者呼吸引起的空气流动对准确度的影响，又不妨碍观测。

玻璃在科研中的应用真是数不胜数，作用是不可取代的。

科学仪器是科学劳动者用以联系科学对象的桥梁，这种联系的程度，决定科学研究中的人们对科学对象的认识深度，只靠人体感官直接观察自然现象的直接显现是有极大局限性的。人体感官感受自然的能力，是生物意义上的人适应自然的基准，而构成社会的有了独立意识以后的人，能够发挥自己的主观能动性，先是以工具延长肢体，又以仪器延长感官，同时强化、纯化自然过程以认识自然发展的规律，达到改造和主宰白然的目的。

主体认识器官的局限性通过器官感性认识和大脑理性认识的结合而克服，但未经证实的判断只能以假说的面目出现。科学仪器的制造和使用，不但体现了感性、理性认识的结合，还能完成理性思维结果的验证工作。例如，马尔比基的工作验证了哈维理论的正确。科学仪器是人类感性认识器官的延长，理性思维方法的物化。玻璃正是体现了这个意义上的方法论价值。超越人类感性认识能力之外的认识客体，通过科学仪器转化为可供主体进行感性认识的对象；片面呈现在人们面前的自然过程，经科学仪器的作用呈现出它全面的性质。例如，天文学中的望远镜，光学中透镜、棱镜，化学中的试管等的作用，它们使人类更接近自然，为实现具体科研目的准备了现实条件。

构成仪器的材料中有功能性的、有结构性的，功能性部件加结构性部件组成完整可资利用的仪器。望远镜的目镜、物镜是功能性的，镜筒是结构性的，化学试管则同时具有两种性能，仪器的方法论价值主要体现在功能性部件和功能性材料上。

仪器的科学意义还有另一方面，如马克思和恩格斯在《德意志意识形态》中指出：“已经得到的第一个需要本身、满足需要的活动和已经获得的为满足需要所用的工具又引起新的需要”，如显微镜的出现使人们满足了观察一些微观现象的第一需要，这个活动和为满足这一活动的工具本身又引起了人们进一步研究显微结构生物学的新的需要。

在近代自然科学所采用的仪器中，以玻璃制品为功能性部件的仪器起着无与伦比的作用。玻璃仪器的完善和改进贯穿、勾勒和体现着近代自然科学某些门类的历史，以其所独具的各种属性，物化着人们理性认识的各种方法，为近代自然学科的发展做出了不可否认的贡献。

从近代自然科学的发展中我们看出，玻璃在方法论方面的价值是巨大的。现代玻璃与其它材料结合繁衍出它的后代——玻璃钢、玻璃纤维、玻璃海绵等等，它们集玻璃和其它材料的功能于一身。玻璃和它的那些优良属性，必定在现代自然科学的发展中呈现巨大的威力，现代自然科学也应有意识地利用玻璃的属性，充分实现它的方法论价值。 

此文写于距今34年前的1985年，发表于1986年，根据CNKI扫描PDF文件转换文字格式整理。

今日重读突发奇想：如果中国古代制出了透明玻璃且发展出了各种玻璃工艺，先人们大概率会用之来观察一些现象、发现一些问题……。那么，会不会就不会出现后来的李约瑟难题了？哈，你别笑，中国古代没发展出科学，也不能说与工具的欠缺全然无关。虽然这只是个猜想，但也能反映出历史发展常常会有偶然性因素起作用。如果一直都未发明出透明玻璃，今天的欧洲科学会什么样是不是也不太好想象。

34年前写的东西，现在已经不能全然回忆起当初的知识，比如那个“原子物理和量子力学中的重要公式”看着就有些晕菜；个别历史人物的名字也有些陌生感了；当年的标引和著录格式，今天看来有些粗糙。好在这些不重要了，主要看玻璃。

2019年5月6日凌晨记

 主要参考资料

1.《历史上的科学》，贝尔纳，科学出版社，1981年。

2.《自然科学史》，梅森，上海人民出版社，1977年。

3.《自然科学发展简史》，陈昌曙、远德玉，辽宁科技出版社，1984年。

4.《天文学和哲学》，中国社会科学出版社，1984年。

5.《物理学史》，卡约里，内蒙古人民出版社，1981年。

6.《物理学发展简史》，杨基芳、黄事平，知识出版社，1981年。

7.《从原始生物学到现代生物学》，中国青年出版社，1984年。

8.《科学的历史》，大沼正刚，求实出版社，1981年。

9.《光学三百年》，斯杰潘若夫，科普出版社，1981年。

10.《人类的翅膀》，天津科技出版社，1984年。

11.《材料与材料科学》，李湘州，科学出版社，1984年。

12.《玻璃的时代》，斯维什尼可夫，天下出版社，1951年。

13.《中国古代物理学史话》，王锦光、洪震寰，河北人民出版社，1981年。

14.《科技史文集》第12集，上海科技出版社，1982年。

15.《我国的玻璃制造起于何时》，《历史知识》，85，3

16.《化学简史》，帕廷顿。

17.《自然科学大事年表》，上海人民出版社，1975年。