玻璃
铁和钢是现代工业化世界备受赞誉的建筑材料，但是不起眼的玻璃，虽然那么容易被忽视（至少容易被“看穿”），在我们的发展历程中同样意义重大。作为人类制造出来的第一批合成材料之一，玻璃在公元前3000年的某个时刻诞生于美索不达米亚最早的城市摇篮中。我们将会看到，有着一系列独特性质的玻璃怎样成了科学研究的关键材料。不过，让我们先来介绍如何制造玻璃这一基础问题吧。
你大概已经知道，玻璃是由熔化的沙子制成的，或者更精确一点说，是用提纯的硅石（二氧化硅）制成的。但是仅仅将一把沙子撒进火里不会有任何结果，除了有可能把火扑灭。问题在于硅石熔点极高，大约为1650℃。这远远超过了简单的烧窑能够达到的温度，所以说仅仅知道其主要成分无助于你实际制作出玻璃。玻璃有时候会自然形成：如果你在沙漠中挖掘，说不定会幸运地挖出熔融的硅石形成的长而中空的奇特管道，这种管道往往有着植物根系一般错综复杂的形状。这样的结构叫作“硅管石”或者“凝固的闪电”，是闪电击中干燥沙地时形成的。电流涌入地下，产生了足以令硅石颗粒熔化并结合成玻璃管的高温。
既然你无法直接驾驭闪电的力量，为了制造玻璃，你必须能够利用合适的熔剂，把硅石的熔点降到烧窑能够达到的温度。草碱和苏打都可以在玻璃制造过程中充当良好的硅石熔剂，但是我们将在“高等化学”一章看到，只要应用一点点化学知识，苏打的大规模制造相对要容易得多。所以如今用于制造窗户和瓶子的玻璃绝大多数都是碱石灰玻璃——一种溶解了沙子的苏打加石灰溶液，在日常温度下就会凝固。
在黏土烧制成的瓷坩埚中装上硅石颗粒和苏打晶体。在烧窑的热量中，碳酸钠分解（释放出二氧化碳）并被硅石吸收，将其熔点降低到可以成功在烧窑的温度下制造出玻璃。一开始玻璃中混有释放出的二氧化碳和氧气、氮气，形成多气泡的熔融混合物。因此应当使用温度很高的烧窑，让熔化的玻璃保持很高的流动性，而坩埚应当留在里面足够长的时间，让这些气泡跑出去，留下清澈的玻璃。不幸的是，仅仅用硅石和熔剂制成的玻璃溶于水，这严重限制了它的用途。解决方案是在坩埚中使用另一种添加剂，让玻璃变得不溶于水：生石灰——我们在上一章中讲过的氧化钙——可以很好地满足要求。
玻璃的基本材料硅石构成了地幔和地壳的40％多。它是地球岩石最丰足的成分。但是硅石常常与很多其他成分混在一起（包括金属——硅石是熔炼后扔掉的矿渣的主要成分），为了制造出清澈无色的玻璃，它必须尽量纯净。比如说，很多沙子所呈现的褐色是氧化铁造成的，这种成分会令做出的玻璃呈现绿色——做酒瓶合适，但做窗户或者望远镜就令人讨厌了。能做出清澈玻璃的最佳原料是白沙或者其他未经污染的硅石，比如用于制造有名的威尼斯“水晶”玻璃的白色石英石，或者从白垩中挑选出来的、用于制造英国“铅晶质”玻璃的火石。（从技术上来讲，这两种玻璃都名不副实，因为所有玻璃的原子排列都全然无序，是乱七八糟的非晶体结构。）
当然，过去的文明会留下巨量玻璃。所有被完整保存下来的都可以重新利用，碎掉的玻璃则可以清洗后再次被熔化。事实上，玻璃是当今最容易被循环利用的材料之一。它可以简单地在炉中被熔化后重新定型。这个过程可以一次次重复而不会产生任何材质的劣化（塑料则是个反例）。但是到了文明恢复过程的后期，或者如果你因船舶失事流落荒岛，就需要了解从零开始制造玻璃的配方。事实上，要想制造出清澈的高品质玻璃，热带海滩或许是收集齐三种原材料的理想地点：不含铁的白沙、用来提取纯碱的海藻以及用来煅烧石灰的贝壳或珊瑚。
熔化状态的玻璃可以直接从坩埚倒进模具。但是利用它的一种有趣性质，还有另外一种有用得多的制作方法。玻璃的不同寻常之处是它没有固定的熔点。玻璃的黏性（或者流动性）在一定温度范围内变化巨大，所以你可以在它已经软化但并不太易于流动的最佳状态下进行加工——这就是玻璃吹制工艺。在黏土或者长金属管一端蘸一滴玻璃，便能够往玻璃当中吹入空气。你既可以在半空中旋转它，吹制出想要的形状，也可以将它吹进模具，迅速制造出瓶子之类的物体。
如今对于我们家庭和摩天大厦的照明来说，窗户是至关重要的。它让阳光照进我们的人造洞穴，又把风风雨雨抵挡在外。在大约公元1世纪的时候，古罗马人最先为他们的窗户装上了小块的压铸玻璃，而到了公元1000年的时候，中国的窗户上还蒙着被油浸成半透明的纸。很多个世纪以来，窗玻璃都是首先经过吹制然后趁着还柔软通过旋转被甩成平面的——乡下老房子或者酒馆窗户中间独特的凹坑就是吹玻璃用的管子离开后留下的。今天，大幅面而且完全平整的窗玻璃是将玻璃倒进熔化的锡池中做成的。玻璃在冷却凝固之前，会浮在表面，伸展成平滑整洁、厚度均匀的一层。但是除了窗户之外，玻璃在后末日世界的恢复过程中，还有着更多的基本用途。
玻璃适于做成窗户的主要性质自然是透明。这本身是一项罕见的材料属性。但实际上，玻璃有很多重要的属性是其他材料都不具备的。这意味着玻璃对科研来说非常重要：它使我们得以研究自然现象，测量它们的效果，从而开发出更加强大的技术。比如气压计和温度计是最早被发明出来的两种科学仪器，其工作方式是展示液柱的高度。如果没有玻璃这种清澈而坚硬的材料，便不可能看清楚液柱的起伏。
显微镜载玻片的原理，也是薄片状的样品可以附着在透光基片上这样一个事实。玻璃还相当坚固，可以制作能够容纳真空的气密外壳。真空管可被用于产生X射线，在发现电子及其他亚原子粒子的过程中，真空管也曾起到关键的作用。气密玻璃泡也是白炽灯或荧光灯运行机理的核心：在让产生的光照出去的同时，将特定的气体封存在内部。
除了具备透明、抗热和坚固等适于做成薄壁容器的性质，玻璃基本上还是惰性的。这是各种各样化学研究工作的核心。玻璃可以被铸造或者吹制成任何形状的实验室用具：试管、烧瓶、滴管、吸液管、管道、冷凝器、分馏柱、气体注射器、量筒和表面皿。如果没有一种既不活泼又能够透光的材料，使我们得以在不沾染反应物的情况下观察反应过程，很难讲化学会如何发展。
但是玻璃最伟大的天赋，或许是它能够被用来控制和操纵光线本身。这使我们不仅能够把大自然装进小瓶去分别研究，还能够扩展我们的感官。
身为玻璃制造大师的古罗马人注意到，玻璃球似乎能够放大在它后面的物体。但是他们没能从这一现象中总结出理论，并据此把一团玻璃磨成弧形，制造出透镜。透镜依赖的是折射原理，也就是光线从一种透明介质进入另一种透明介质时会弯折。把一根直棍插入水塘便可以观察到这个现象——棍子似乎在水面处折断了。这就是光线在水面——水和空气交接处——发生折射造成的。一片玻璃如果做成两面突起的透镜，就能够控制穿过它的光线的折射。在外缘进入透镜的光线向内偏折得厉害，因为它的入射角较大。在接近中心的地方进入透镜的光线偏折的角度较小，而直接射入正中央的光线是以直角击中曲面的，因此会继续直线前进。所有的光线会聚到一点：焦点。这就是放大镜的原理。
最早的光学技术就是眼镜，于1285年左右出现在意大利。这种眼镜上安装着凸透镜，用于帮助远视患者。这种眼疾通常出现在老年，表现为很难将目光聚焦于近处的物体。对近视的矫正则要依靠凹透镜。要把玻璃磨制成这样——两面向内凹陷，穿过的光线会被发散——要比磨制凸透镜难一点。
直到人们意识到，既然透镜可以显著放大透过它们看到的物体，那么精心排列的一组透镜便可以让你看到远方，真正的突破才得以发生——人们意识到的正是望远镜的实质。这种器具最早由船长们使用，但是很快就被指向了天空，使我们对宇宙以及我们在其中位置的理解发生了巨大的变革。然而，玻璃透镜还可以用来放大极小的物体。在理解微生物学和细菌理论、检查晶体和矿物的结构以及改进冶金学等方面，显微镜都是一种绝对不可或缺的工具。
作为五千五百多年前的人类合成的第一批人工物质之一，玻璃方便了我们探索自然并开发新的技术，从第一副阅读用眼镜到哈勃太空望远镜。在17世纪，有六种仪器对于现代科学事业的发展来说是至关重要的，它们分别是摆钟、温度计、气压计、望远镜、显微镜和真空室。在灾难之后重新探索世界的过程中，它们仍将不可或缺，而其中除了摆钟之外，其他五种仪器全都完全依赖于玻璃所具有的一系列独特性质。
将我们的目光延伸到宇宙的望远镜，以及探索物质精细结构的显微镜，归根结底都依赖于有着弧形表面的一团沙子，这样一个事实不免会让人赞叹。从最根本的意义上来讲，玻璃改变了我们对世界的看法。不管是作为建筑材料还是实施科学研究所需的重要入门技术，玻璃对于文明的成功恢复都是很重要的。温度计、气压计和显微镜也是检查人体状况的重要仪器。现在，我们将把话题转向医疗。
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