最近一段時間，全世界最關(guān)注的事兒莫過于新冠肺炎疫情。歷史上，人類曾多次受到鼠疫、霍亂等傳染病侵?jǐn)_，但卻長期無人知曉這些病魔致病的真正原因。直到十九世紀(jì)，在新型復(fù)消色差光學(xué)顯微鏡的幫助下，人們才認(rèn)識到一種特定疾病是由一種特定微生物引起的。
歷史上，傳染病曾多次給人類帶來巨大傷亡（圖片來源：theguardian）
光學(xué)顯微鏡最核心的部件莫過于玻璃鏡片。如今玻璃在我們的生活中隨處可見，用于高端儀器的玻璃也層出不窮，但在一百多年前，玻璃制作依然采用千百年流傳下來的傳統(tǒng)技藝，想要研制出顯微鏡所需的高端玻璃可不是件容易事兒。解決這件事的是德國科學(xué)家奧托·肖特，正是他使玻璃研究成為了一門科學(xué)。
縱觀近代科學(xué)大家，幾乎都擁有博士學(xué)位，肖特也不例外。然而，肖特的求學(xué)之路卻顯得格外艱難，甚至差點沒能拿到學(xué)位。
年輕時的奧托?肖特（圖片來源：Wikimedia）
轉(zhuǎn)學(xué)，還是轉(zhuǎn)學(xué)
肖特于1851年出生于德國的一個玻璃世家，祖上三代都以制作玻璃為生。中學(xué)時代，肖特的物理和化學(xué)成績十分優(yōu)異，父親因此希望他能通過所學(xué)幫助改善制作玻璃的工藝。俗話說“百聞不如一見”，肖特剛從中學(xué)畢業(yè)，就開啟了游學(xué)生涯，試圖從生產(chǎn)一線中求取真經(jīng)。一年間，他到訪了歐洲形形色色的化工廠和玻璃廠，還在一家生產(chǎn)酸堿鹽的化工廠學(xué)會了化學(xué)定性與定量分析的技術(shù)。一番考察后，肖特發(fā)現(xiàn)多數(shù)玻璃廠都過度依賴于傳統(tǒng)經(jīng)驗，玻璃質(zhì)量參差不齊，亟需科學(xué)理論提升玻璃水平。
19世紀(jì)的玻璃工廠（圖片來源：Science Photo Library）
為了提高自己的理論技能點，肖特決定前往大學(xué)修煉，他首先將目標(biāo)瞄準(zhǔn)了剛成立的亞琛工業(yè)大學(xué)。在亞琛，肖特師從當(dāng)時德國著名化學(xué)家蘭多爾特，練就了一身將物理和化學(xué)聯(lián)合研究的硬本領(lǐng)?？僧吘箤W(xué)校成立時間不長，實驗條件有限，三年后他便轉(zhuǎn)學(xué)到了歷史悠久的維爾茨堡大學(xué)。孰料一踏上維爾茨堡的土地，肖特就大呼后悔，原來維爾茨堡也沒有化工實驗室！巧婦難為無米之炊，畢業(yè)心切的肖特沒有絲毫遲疑，決定趕赴歷史更久的萊比錫大學(xué)碰碰運氣。
19世紀(jì)的萊比錫大學(xué)（圖片來源：Wikimedia）
有道是“工欲善其事，必先利其器”，萊比錫大學(xué)完備的實驗條件讓肖特如虎添翼。通過大量實驗，他發(fā)現(xiàn)如果采用硅酸鈉或石膏、硫酸鈉和碳的混合物作為原材料，可以減少制作玻璃時的硫損失。如果將原材料添加速度放緩，則能進一步實現(xiàn)充分熔融，有效避免氣孔、顆粒等缺陷產(chǎn)生。他還嘗試采用分子動力學(xué)闡釋玻璃的結(jié)晶過程，認(rèn)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，其結(jié)晶過程便是晶態(tài)硅酸鹽的析出過程。
1874年初夏，年僅23歲的肖特完成了題為《玻璃制作理論與實踐研究》的博士論文，并將其遞交至萊比錫大學(xué)哲學(xué)系。然而，令他萬萬沒想到的是，比他當(dāng)初到處尋找實驗室還要糟心的事發(fā)生了。
肖特論文中的插圖（圖片來源：《現(xiàn)代物理知識》）
拿學(xué)位，太難了
原來，負(fù)責(zé)評閱肖特論文的是頗有名氣的化學(xué)家柯爾貝?？聽栘愂腔瘜W(xué)大咖維勒（注[1]）的得意弟子，還做過德國化學(xué)泰斗本生（注[2]）的助手，化學(xué)中“合成”的概念就是由他最早提出。不過，柯爾貝是個有名的“怪老頭”，曾做過出版社的科學(xué)編輯，對他人總持懷疑態(tài)度，就連第一位諾貝爾化學(xué)獎獲得者范特霍夫都被他無情嘲諷過。因此，當(dāng)肖特的論文落入柯爾貝之手后，柯爾貝表現(xiàn)得無比嫌棄，他不但直斥肖特的文字表述能力差，還認(rèn)為玻璃制作只是一門技術(shù)，并非什么高大上的科學(xué)，肖特根本達(dá)不到合格化學(xué)家的水準(zhǔn)。
德國化學(xué)家柯爾貝（圖片來源：Britannica）
對于柯爾貝的評價，肖特絲毫不敢怠慢，立即著手修改論文。然而，當(dāng)他將修改后的論文交給柯爾貝時，后者再次發(fā)動了嘲諷技能，認(rèn)為肖特態(tài)度不夠端正，沒有完全按照意見修改。白駒過隙，轉(zhuǎn)眼間到了年底，肖特有些按捺不住，再次將論文送至萊比錫大學(xué)哲學(xué)系。柯爾貝得知后，深感肖特對自己不尊重，不但給論文一個大大的差評，還慫恿其他評審人也都不予通過。
肖特十分無奈，打算再次轉(zhuǎn)學(xué)。次年，他進入耶拿大學(xué)。幸運的是，耶拿大學(xué)的評審教授們比柯爾貝寬容得多，一致認(rèn)為肖特通過理論與實驗結(jié)合，既解釋了玻璃制作過程中的特殊現(xiàn)象，又提出了新的改進方法。糾結(jié)半年多的肖特終于迎來柳暗花明，欣慰地戴上了博士帽。
2001年奧托的博士論文被重新出版（圖片來源：Verlag）
小玻璃，大功用
被學(xué)業(yè)搞得精疲力竭的肖特決定離開象牙塔，他將自家閣樓和地下室改造成實驗室，平時白天在一家化工廠上班，晚上則在實驗室里繼續(xù)自己喜歡的研究。數(shù)年間，他發(fā)表了大量關(guān)于玻璃制作的論文，內(nèi)容從玻璃的原材料組成與提取到加工過程中的硬化與冷卻問題幾乎無所不包。
不過，肖特的研究多少有些自娛自樂的性質(zhì)，并未獲得真正的應(yīng)用。1881年，一封來信徹底改變了肖特的命運。寄信人是耶拿大學(xué)物理教授阿貝，曾憑借先進的光學(xué)理論幫助蔡司公司發(fā)展成為世界領(lǐng)先的顯微鏡制造商，但他卻始終無法解決顯微鏡系統(tǒng)中消除色差的問題，故而寫信尋求肖特的幫助。
阿貝與他發(fā)明的顯微鏡（圖片來源：Anasys Instruments）
我們知道，當(dāng)太陽光穿過三棱鏡后，由于不同波長的光折射程度不同，會產(chǎn)生從紅到紫排列的光譜，這便是色散。由于色散現(xiàn)象的存在，當(dāng)光線穿過顯微鏡的凸透鏡后，所形成的圖像難免會模糊。一種解決方式是在凸透鏡后增加一個凹透鏡，以使光線重新匯聚。可畢竟不同色光的焦點不同，想要實現(xiàn)清晰的圖像，必須使兩塊玻璃的相對色散（即不同波長的光折射率差的比值）相符，盡管這一問題很早就被科學(xué)界認(rèn)識到，但因為玻璃制造技術(shù)不受重視，一直沒能很好解決。
光的色散現(xiàn)象（圖片來源：Wikimedia）
收到阿貝的信后，肖特開始馬不停蹄地實驗起來。他嘗試將當(dāng)時能獲得的礦物元素系統(tǒng)地加入玻璃熔體中，對磷酸玻璃、硼酸玻璃、硅酸玻璃、硼硅酸玻璃等玻璃的光學(xué)特性做了細(xì)致測定。經(jīng)過近百次的實驗，肖特驚喜地發(fā)現(xiàn)，如果在某種凹透鏡中添加硼酸，可收縮藍(lán)紫光區(qū)光譜，使其相對色散與凸透鏡匹配。
在肖特與阿貝的努力下，蔡司公司很快就推出了新型復(fù)消色差光學(xué)顯微鏡，采用相同玻璃制造的天文望遠(yuǎn)鏡與攝像器材也應(yīng)運而生，極大地推動了醫(yī)學(xué)等自然科學(xué)的發(fā)展。后來，為了加強與阿貝的合作，肖特索性搬到耶拿居住，并于1884年建立了世界第一家光學(xué)玻璃工廠。
奧托?肖特（圖片來源：Stone Forest）
除了光學(xué)玻璃，肖特還研制出許多特殊醫(yī)用玻璃，比如，他曾發(fā)明一種幾乎沒有熱脹的含鋰玻璃，用其制作的溫度計十分精確。此外，肖特還解決了大質(zhì)量玻璃的熔煉問題，大大促進了玻璃產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。經(jīng)過肖特的不懈探索，玻璃研究真正成為了一門科學(xué)。如今，德國耶拿市已成為舉世聞名的“光學(xué)之都”，耶拿大學(xué)亦設(shè)有肖特材料研究所，肖特對世界玻璃科學(xué)的巨大貢獻(xiàn)一直被人們銘記。
位于德國耶拿的肖特故居（圖片來源：Gelbe Seiten）
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