玻璃究竟是液體還是固體？為何我們能看透它？

無論你是無定形固體的愛好者，還是單純享受能看到外面事物的感覺，玻璃都是相當酷炫的材料。但從原子層面來看，它究竟是如何運作的呢？為什麼我們能看透玻璃，卻無法看透（舉例來說）金屬、丹尼·德維託（Danny DeVito）和義大利麵呢？玻璃到底是什麼東西？

玻璃是液體還是固體？

有個經常被提及的「事實」，稱玻璃實際上是液體，只不過它流動得太慢，我們看不見。通常伴隨這個「事實」的觀念是，古老教堂和大教堂的彩色玻璃窗底部更厚，是數百年間重力作用使玻璃在底部聚集的結果。但實際情況並非如此。事實上，玻璃和液體有許多共同之處，但和固體也有共通點。

世上有很多種玻璃，但聚焦在二氧化矽上可能最容易理解，它是大多數玻璃的主要成分。當你把石英砂（SiO₂）加熱到足夠高的溫度，它就會熔化成液體。在液態時，單個分子可以在材料內自由流動。但如果你冷卻得夠快，和金屬及其他固體不同，它不會形成有規則的晶體結構，也不會形成由更小晶體結構聚集在一起的多晶體結構。

菲利普·吉布斯（Philip Gibbs）為加州大學河濱分校解釋道：「液體冷卻時，其黏度通常會增加；但黏度增加有阻止結晶的傾向。通常液體冷卻到凝固點以下時，會形成晶體並凝固；但有時它會過冷，在低於熔點時仍保持液態，因為不存在能引發結晶的成核位置。」

「如果在進一步冷卻時黏度上升得足夠高，它可能永遠不會結晶。黏度會迅速且持續上升，形成濃稠的糖漿，最終變成無定形固體。此時分子排列無序，但有足夠的內聚力來保持一定的硬度。」

玻璃是無定形的。（圖片來源：Cdang via Wikimedia Commons (CC BY-SA 3.0)）

在這種狀態下，玻璃具有類似液體和固體的特性，但並不像那個經常被提及的謬傳所說的那樣像液體一樣流動。

材料科學家約翰·毛羅（John Mauro）和凱特琳·柯克納（Katelyn Kirchner）在為《對話》（The Conversation）撰寫的一篇文章中解釋道：「在短時間尺度內，玻璃的行為很像固體。但玻璃類似液體的結構意味著，在足夠長的時間裡，玻璃會經歷一個稱為鬆弛的過程。」

「鬆弛是一個持續但極其緩慢的過程，一塊玻璃中的原子會慢慢重新排列成更穩定的結構。在超過10億年的時間裡，一塊典型的玻璃形狀變化小於1奈米——大約是人類頭髮直徑的1/70000。」

這種無定形、混亂的結構使得光線能穿過它，且不會發生太多散射，就像光線能穿過水一樣。但這並不能真正解釋為什麼玻璃是透明的。要解釋這個問題，就需要涉及到電子。

當一個光子撞擊固體材料時，在亞原子層面會發生幾件事。光子可能被材料吸收，通常會用光子的能量使材料升溫。在這種情況下，光子實際上消失了，這意味著既沒有反射，光線也不會像在玻璃和其他透明固體中那樣從材料的另一側穿出。

光子也可能被反射。（非常概括地說，因為電磁學相當複雜）此時光子會被短暫吸收，然後發射出一個波長相同的光子。

在這兩種情況下，由於吸收作用，光線都無法穿過物體。然而，光線可以原封不動地穿過某些材料，這稱為透射。如果入射光子的能量不夠高，不足以將電子激發到更高的能態，光子就不會被吸收，而是被允許穿過。

在大多數材料中，可見光足以將電子激發到更高的能態，所以它們不是半透明的。但在玻璃中，可能的能態之間的間隙足夠大，可見光不會將電子踢到更高的能級。

雖然玻璃能讓可見光穿過，但紫外線足以將電子激發到更高的能態，所以許多這些波長的光線無法穿過，這就是玻璃具有一些紫外線過濾特性的原因。