玻璃为什么是透明的?难道组成他的物质是透明的?

玻璃为什么是透明的?难道组成他的物质是透明的?
玻璃为什么是透明的?难道组成他的物质是透明的?

玻璃为什么是透明的?难道组成他的物质是透明的?
这个问题很有趣,牵涉到认知观念,以及物理光学等等广泛的东西,三言两语还说不清楚.首先我们先来想一想什麼是「看见」.粗略的说,我们经由视觉而能判断认知某一件事物的存在,我们就会说我们看见了什麼东西.这个整体的过程中包含了光在物体上反射,进入眼睛形成影像,再由大脑来判断各个影像的部分,比较双眼所见的影像差异,并且对照过去各种不同感官（视觉、触觉、听觉等等）所累积的经验,最后才判断出来什麼东西在那里.
在辨识认知的过程中最大最重要的实体依据就是差异.比方说看见一块红色的方形积木好了.我们可以在影像在积木边缘发现极大的差异,边缘内是红色的,外侧是背景.同时从影像的各个小部分颜色的亮度不同,判定出这是立体形状因为光照产生的阴影.再由双眼所看见的影像中,各面之间的稜线位置（由相邻两小部分颜色亮度突然改变判定）以及背景被遮住的位置不同而判定出立体的形状和物体的远近.最后再跟过去的经验做比较,可以完全判断认知这个积木的存在,并且补齐看不见和这次看见却不能判断的其他资料.另外如果积木表面有类似镜面反射的现象（有旁边物体的映像或是两眼所看见的同一表面亮度差异极大）,那麼我们还会判断出来物体表面光滑,因而相信触摸时一定不会感到粗糙.
由以上可以看出来「看见」是一个很复杂的认知行为,除了眼中所见影像各个部分的差异,甚至大脑里的经验资料库也扮演很重要的角色.一般人对於「透明」的认知是：一个物体不会遮蔽背后的景物的（也就是「看得见」背后的景物）,我们就说这个物体是透明的.例如一片玻璃,眼中的影像在玻璃的部分是背后景物的影像,所以玻璃是透明的.如过背后景物的影像颜色与原来（以经验资料库为准）相比变红了,我们就说这片玻璃是红色透明的.那麼我们是怎麼「看见」透明无色的玻璃呢?其实我们认知透明无色玻璃的存在,主要靠的下片几个部分：
一、背景影像的变化：平的玻璃片会因为光线经过时的折射,使背后的景物影像产生少许的位移,具有凹凸表面的玻璃则会使背景影像变大、变小或扭曲,大脑依据经验资料库里已经有的原来背景资料相比对,就能判断出来玻璃的存在,甚至还可以让我们「看出来」玻璃大概多厚.
二、边缘：玻璃片的边缘或是玻璃表面有急剧弯曲的部分,折射的角度与旁边的表面有明显的不同,块状玻璃表面相交的稜线两侧折射的角度也不明显不同,这些不同处在大脑参考经验资料库之后就能在脑海中勾勒出玻璃块或是玻璃片的几何形状,进而认知透明无色玻璃的存在.
三、表面反射：玻璃的表面是光的两种介质（玻璃与空气）的介面,因此会发生微弱的反射,这种反射在光线与表面夹角越小越明显.於是当我们倾斜的看玻璃表面时,就会看到旁边物体的映像,因而可以认知到玻璃的存在.
四、污染物及瑕疵：玻璃表面如果有脏污或灰尘,我们的大脑会在对照经验资料库之后判定玻璃的存在.有人会说这只是看见了脏污灰尘,不是看见玻璃,但是在这裏我们说的「看见」指的是一种认知的过程和结果,所以大脑既然已经认知了玻璃的存在,我们就可以说是「看见了」玻璃.另外玻璃表面上的刮伤,或是内部的气泡杂质等瑕疵,也可以做为这一类判断的依据.
五、透射光亮度减弱：除了真空（也就是没有东西）以外,没有一种透明的东西是真的完全不会吸收穿过的可见光的.因此只要厚度够厚,穿透的光线就会减少到我们能察觉的地步.这种情况下,我们穿过玻璃见到的影像亮度会变暗,在大脑将影像与经验资料库中显示原来应该有的亮度相比,就可以判断出来玻璃的存在.有时候我们甚至会因此发现有些玻璃其实不是无色的,而是微微带点颜色,只不过玻璃不厚时颜色看不出来.但是要使用这种判定的重要条件是玻璃必须要够厚,不然肉眼就分辨不出来.
以上就是认知玻璃存在的几个方法.通常一眼看下去的时候,以上的认知方法不是每一个都能起作用,但是只要有一到两个方法有效,大脑就能完成判断.绝大部分的情况下我们看见的景象都能由上面方法的其中之一判定,所以我们一直都觉得透明无色的玻璃是可以「看见」的.
至於透明无色的水又是怎麼看见的呢?基本上和玻璃差不多,不外乎那五个方法.不过玻璃是固体,水是液体,所以在细节上和经验资料库里的资料内容上两者不太相同.例如边缘的判定方式,由於水是液体,没有固定形状,必须装在容器哩,所以主要的边缘都是容器的内壁,认知上会和容器内壁的存在认知相混淆而无法判定.然而我们仍然可以用水面的折射和反射现象判断出水面边缘的存在,从而认知水的存在.很多简单的图画里,在容器中画上一圈线条,就能表示里面装了水,靠的就是这一个认知方法.另外水的液体性质,像是静止时表面平静,摇荡或震动时表面波动,都是在经验资料库中辨识水存在的重要依据.
接下来再看看空气的情况,与玻璃和水相同的是透明无色,不同的是空气是气体.我们知道气体没有固定形状也没有固定大小的,在我们周遭充斥著满满的空气,所以空气的表面和所有物体的表面重叠,因此所有判定表面形状的认知方法,都会跟认知其他物体的方法混淆而无法分辨.光线由背景反射后直到到达眼睛前都只经过空气一种介质,所以利用折射的判定方法也很困难,只有在火焰上空的游丝和沙漠的海市蜃楼这种少见的特例才有机会.因此我们才会一直都觉得空气是看不见的.
如果我们设法使以上的五种认知透明无色物体的方式失效,那是不是可以使玻璃变得看不见呢?这是很有可能的.如果我们将一片薄玻璃表面清洁得十分乾净,架在一个窗子、洞口或方框的后面,使得玻璃边缘被遮住,同时安排使得玻璃面和我们的视线垂直,再安排四周的景物和照明,让玻璃表面看不到什麼反射的映像.这时候以上的五种认知方法就会几乎都失效了,我们一眼望下去,很可能就完全感觉不出来玻璃的存在.我们也可以改用比门稍大一点的玻璃,架在门框的后面.这时候很可能有人分辨不出来,直接往门内走.等到他一头撞上玻璃之后,他很可能就会说：这一块玻璃我刚刚根本「看不见」.
水也有办法使它变得看不见吗?也是有的,准备一个方玻璃瓶,注意瓶内空间的形状必须是方的,不能有圆弧状的部分.另外由於瓶颈多半都是圆的,所以这个部份外表面要磨沙,使得圆弧的颈部不透明.接著将清澈乾净毫无杂质的水加入瓶中,一直到加满,再用瓶盖封起来.必须要使得瓶中完全没有空气,只有乾净清澈的水.将这样一瓶水放在桌上,很难让人分辨出瓶子里有没有水.因为是方瓶,水不会使背景放大、缩小或是扭曲,只会产生位移,然而玻璃瓶壁也会使影像位移,所以这两种判断会互相混淆,大脑因而只能判断出玻璃的存在（以形状固定判定出透明的固体）.又由於满瓶都是水,所以水的边缘和表面贴在玻璃上,也造成认知判定的混淆,洁净的水更没有污染瑕疵,最后只剩下背景影像的变暗.但是这点也因为玻璃同样会使背景变暗而混淆.除非相当有经验,或是摆一个相同的空瓶在旁边做比较,否则大部份人都会「看不见」瓶子里头的水.
以上是各种「看见」与「看不见」在视觉影像上的理由,综合起来说就是如果要看得见,影像中必须有足够作为判断的差异,如果差异不足,即使物体不是透明的,也一样会变得看不见.例如一开始我们说的红色积木,如果将它放在平坦单调而且相同红色的背景中,再加以特殊的照明,使得积木的各个表面甚至是积木的稜线受到的光线照射几乎完全相同,并且也使背景的积木阴影部份受到相同形状的光照弥补,这时候积木在眼中的影像会呈现一片均匀的红色,跟背景融合在一起,完全没有任何差异,因而分辨不出形状来,我们也就看不见积木了.类似的情况还有使用保护体色的生物,因为颜色花纹和背景相似,所以就分辨不出生物体和背景了.
然而空气看不见还有另外一个很独特的理由.看见的认知除了眼中所见影像各个部分的差异,另一个重要因素就是大脑里的经验资料库,在这一点空气是非常独特的.我们一出生,空气就充斥在我们四周,气压压迫著我们的身体,一切的物体都隔著空气去看.虽然我们一直「摸」著空气,却不觉得「摸到了」空气,因为我们从来没比较过「没摸到」空气是什麼感觉.我们一直隔著空气看东西,可是我们一直认定我们是「直接」看到东西,因为绝大部份看得见的物品都可以用手摸到,空气却不能.经验资料库中的资料,也都以可以触摸的东西为重点.因此我们「看见」物体的各种认知方法,都会将中间隔著的空气层忽略,也只有这样,才能明确的认知其他「不是空气的物体」的存在.於是亲身体验而得的经验,关於空气存在的资料少得可怜,所以在做视觉影像判断的时候,几乎不可能做出空气存在的结论.如果空气因为密度不均而发生折射,我们会说「看见了火焰上的游丝」,或是「看见了海市蜃楼」,而不是「看见了密度不均匀的空气」.由於我们不是在月球上长大,从来没看过在真空中灰尘会直接往下掉,所以当我们看到空气中漂浮的灰尘,大脑不会判断成「漂浮著灰尘的空气」,而只会判断成「漂浮的灰尘」而已.
以上的这个讲法,可能很多人不太能够理解,打个比方,就好像是「鱼游水中不见水也」.想像一下,如果一个潜水的人潜入海里去,可以看到海里的鱼从身边游过,也可以看到海底的景观.这个人会说他看到了鱼、看到了海底,但是几乎不会说「看到了海水」,也不会说「隔著海水看到了鱼」、「隔著海水看到了海底」,因为这样的说法没什麼意义.然而我们还是会承认这样的说法是正确的,那是因为我们是生活在空气里的,长久的经验告诉我们：那里充斥著海水.当远方的景象因为海水吸收光线而变得黯淡不明,我们因而会说「那是被海水遮住了」,我们很清楚四周一大片暗绿色的背景其实就是海水,我们看见了海水.然而一辈子生活在那里的鱼却不会有这样的认知,远方的景物变得黯淡对它来说是天经地义,四周一片暗绿色就是「什麼都没有」,就如同我们生长在空气中看不见空气一样.
就以上的讲法,我们可不可以把它反过来,想出一种方法,让我们觉得「看见了」空气呢?可以的!方法有好几种,第一种方法是这样的：当你看到红色的夕阳的时候,将它跟白天的太阳比较一下,你会发现太阳的颜色变了.这是因为你是隔著厚厚的空气看它（头顶的大气层只有数十公里,水平看过去的大气层超过一百公里）,所以被空气遮蔽而变红了,所以我们可以说「我们看见了空气」.这个方法可能有人不满意,因为脑海里还是一直觉得「我只是看见了红色的夕阳」,没错,这是因为经验资料库早就将这种景象定为这样的认知.没有关系,还有第二种方法.
第二种方法是：请你在晴天的时候到户外,抬头往天顶上看,就会看见一大片蓝色的东西,这就是大气层,也就是空气的颜色.之所以呈现蓝色是由於廷得尔效应（Tyndale effect）造成的.所谓廷得尔效应,说的是微细粒子群聚在一起时,对於通过的波动,较短波长的会被粒子散射,而较长波长的波则比较不受粒子的影响而能穿过粒子群.也许有人说：天空呈现蓝色,是因为漂浮的尘埃造成廷得尔效应,照在尘埃上的光当中,较短波长的蓝光被散射开来,到达我们的眼睛而造成蓝色.所以我们看到的是尘埃,不是空气.很可惜,这种说法是错的.科学家早期也认为造成廷得尔效应的是漂浮的尘埃,可是后来将天空的蓝色加以光谱分析并计算,发现造成这种光谱的粒子大小太小了,直径大约只有一两个A（一个A是十的负十次方公尺）,差不多就是原子大.所以我们看到的蓝色,其实是空气中的原子造成的,也就是说,空气本身就是蓝色的.我想,这个方法还是会有人不满意,因为脑海里还是可能觉得「我只是看见了蓝色的天空」,天空跟空气是不同的.好吧,我们都不是在外太空的太空站长大的,从来不觉得白天的天空应该是黑色的宇宙背景,点缀著繁星和一个发光的太阳,也不觉得白天蓝色的天空后面遮蔽了什麼,不要紧,还有第三个方法.
（谜之音：一个青天白日的大太阳,再加上五颗小星星,您见过这种自然景观没有?）
第三种方法比较麻烦,请你先找一个地方,这个地方空气必须十分乾净,以免你的大脑认知为「看见了漂浮著的污染物」.另外这个地方必须要很高,例如山顶,这样才看得远,而且在这个地方远眺,必须能看见在远远进进不同距离的地方,有著相同或类似的东西,最方便的是连绵的山脉.然后找一个大晴天,在这裏往远处看,仔细比较,你会发觉越是远处的东西,好像就越变得蓝蓝的.没错,想像一下吧,其实空气就像是一层颜色非常淡的蓝色薄雾,遮在你和群山之间,越是远的景象,雾的颜色就越浓.看出来了吗?空气就在那里啊.
如果、如果、如果上面三种方法对你都没有效,好,好,没关系,再告诉你最后一招,「看见空气」的不传之秘!这个方法可以让你看见空气的边缘,看出空气的形状,让大脑乾脆俐落的认出：那里有空气!方法很简单,只要你从今天起立下大志：「我一定要当太空人!」然后朝著这个方向努力,等到有一天你如愿上了太空,你就有机会了.就在太空船运行到地球的背后,太阳刚刚躲入地球的身影后面时,注意看!注意看!有望远镜更好!在黑色的宇宙背景下,不被太阳照射的半个地球的边缘,有没有一层蓝蓝的东西薄薄的贴在地球表面?有形状（薄层）、有边缘（一边接宇宙,一边靠地球）,你的大脑绝对会判定：那里有东西!什麼东西?那就是厚约数十公里的大气层啊!看见空气了吧!什麼?你打算看照片代替?不会吧……唉,好吧,虽然不是亲眼所见,也聊胜於无啦.