书城科普世界科技史速读
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第10章 日常用品大发明(1)

肥皂

肥皂之所以能去污,是因为它有特殊的分子结构,分子的一端有亲水性,另一端有亲油脂性。在水与油污的界面上,肥皂使油脂乳化,溶解于肥皂水中;在水与空气的界面上,肥皂围住空气分子形成泡沫。原先不溶于水的污垢,因肥皂的作用,无法再依附在衣物表面而溶于肥皂泡沫中,最后被清洗掉。

据说古埃及国王胡夫热情好客,经常设宴招待客人。一天来往客人较多,厨房里的物品又放置杂乱,人们难以转动身子。可就是在忙乱中偏偏出了差错,食品师不小心踢翻了油灯,油洒了一地。伙夫们都赶来收拾场地,他们用手将沾有油脂的灰捧到厨房外扔掉,再到水盆里洗手。这时他们意外地发现手洗得特别干净。当国王知道这件事后,就吩咐手下人做出沾有油脂的炭块饼,放在洗漱的地方,供客人使用。这正是肥皂的雏形。

无独有偶,古罗马人的肥皂也经历了同样的命运。起初,古罗马人用羊油脂和山毛榉炭灰压制成一种称作“萨波”的物质,并用它来把头发染成浅棕红色。后来,有一次罗马人在节日里忽遇大雨,头发被淋湿了,人们却意外地发现头发干净了。从此,罗马人便将“萨波”作为清洁剂来使用。

公元70年,罗马帝国学者普林尼第一次用羊油和草木灰制取块状肥皂获得成功,罗马开始了肥皂生产。这项技术在欧洲逐渐传播开来。公元2世纪,肥皂已专门用来洗东西。到8世纪,大多数的南欧国家已生产和使用肥皂了。法国的马赛和意大利的热那亚、威尼斯、萨沃纳等都是生产肥皂的主要城市,因为这些地方有橄榄油和苛性碱,原料来源方便。公元1000年后,尤其在西班牙,制造肥皂成了一种重要的行业。

各地生产的肥皂尽管销往各处,被广泛使用,但仍属价格昂贵的奢侈用品。直到19世纪,普通家庭一般自制“软皂”,把动物油和桦木灰混合起来,制造很容易。“硬皂”则是工业制品,由植物油和海藻灰提炼的碱混合而成,往往加进香料。

1791年,法国化学家卢布兰用电解食盐的方法制取火碱成功,从此结束了从草木灰中制碱的古老方法。19世纪初,合成碱被发明出来,这就使大规模地廉价生产肥皂成为可能,等到20年代,大规模的制碱法出现了,从此肥皂价格下跌,成为普通家庭的生活必备品。

纸币

纸币的使用源于中国。早在汉武帝在位时期就出现过钞票。当时,连年征战匈奴耗尽了国家财力,私人铸钱更是使钱币大幅度贬值,曾导致钱币面值持续出现剧烈浮动。在这种情况下,武帝便下令发行每张价值为40万铜钱的钞票,收回大部分硬币。这种钞票用白鹿皮制作而成,上面印有特殊图案。

公元800年左右,中国重新发行纸币,被称为飞钱,因为它很容易被风吹跑。这种纸币不能充分交换,只是私人银行交给商人用以兑换现金的凭证。它在京城发放,商人在返回各省后可用之兑换现金。这些都不能算作真正意义上的纸币,直到北宋年间出现了交子。

北宋时期,重商思想抬头,商品经济进一步繁荣。随着各地区贸易联系的加强,交易额越来越大,需要大量轻便的货币作为支付和流通手段。北宋前期,宋王朝为了掠夺川蜀地区的财富,在此地区禁使铜钱,而使用铁钱。由于铁钱不便携带,于是有商人收取铁钱而出现一种类似存款收据的证券,正背面都有出票人的印记,有密码花押,票面金额在使用时填写,这就是交子,可以兑换,也可以流通。交子的出现正适应了商品经济发展的要求,所以很快流行起来,被商人们广泛使用,中国因此成为最早流通纸币的国家。

交子原由商人分散发行,太宗初年,成都16家富商联合建立交子铺发行交子。后来由于富商经营不善而使交子不能兑现,失信于民,引起政府干涉并收归官办。1023年,北宋政府在益州设立交子务,在次年2月开始发行官交子,规定市面上只许流通政府印发的交子,将商人个别发行的交子全部收回。官印交子有一定的发行限额和流通期限,每三年持旧交子换新交子。交子按规定可以随时兑现,属于信用货币性质。交子的票面金额开始时临时填写,后改为印固定金额。1105年,交子改称钱引,除闽、浙、湘、粤外,在国内其他各地发行。

印制纸币的思想向西缓慢传播。1292年,蒙古人在伊朗印发了中国式钞票。1661年,印制纸币传到了欧洲。当时,由于缺少银子,瑞典银行家便着手生产票据。在18世纪,许多小的私人银行家开始发行纸币,只要银行有偿付能力,这些纸币就能通用。直到1883年,英国银行才发行了合法的纸币。8年后,一项法令给了这个银行以发行纸币的垄断权,并禁止发行没有百分之百的黄金作后盾的纸币。美国在1776年脱离英国而独立之前,就制造出第一批纸币美元,并成为美国独立的一个强有力的象征。现在,世界上大多数国家和地区都已拥有自己的纸币,并习惯了把纸币作为商品流通的媒介。

玻璃

玻璃到底诞生于何时,连考古学家也说不准,但可以肯定的是,在古埃及和美索不达米亚,玻璃已为人们所熟悉。

中世纪时期,意大利的威尼斯是玻璃制造业的中心。威尼斯玻璃制品样式新颖、别具一格,因而畅销全欧洲乃至世界各地。威尼斯玻璃业有800多年的历史,15世纪到17世纪为鼎盛时期。当时,威尼斯玻璃艺术品跃为世界之冠。但威尼斯玻璃制造工艺的秘密,很快传到法国、德国、英国,到17世纪时,玻璃厂已经遍及世界许多地区了。

最古老的平板玻璃的制作是把熔化的玻璃注入内部平整的泥模中使其冷却,然后再磨光和抛光其表面。直到20世纪,这种生产工艺仍在沿用。但是回顾平板玻璃的历史,我们仍然会被先辈们的智慧所折服。

早在14世纪,人们就会使用铁管吹玻璃泡来制造小玻璃板。在吹玻璃泡时,工匠们一边吹一边尽可能快地旋转铁管,玻璃泡在离心力的作用下向外扩展,形成表面较为平整的大圆盘。然后从玻璃与铁管的接口处切断,让其冷却成圆形的玻璃板。

由于圆形的玻璃板不容易固定,后来,人们又采用一种新的方法生产方形的玻璃板,工匠们把吹制成圆柱形的玻璃管从中间切开,展平后让其自然冷却,这样,一块方形玻璃板便制成了。随着生产力的不断发展,平板玻璃的制作工艺也日趋成熟。

1947年,玻璃的制作工艺依然很复杂。要生产像橱窗、车窗和镜子使用的高质量的玻璃,就必须以磨光的玻璃板为原料。这种玻璃是把从熔炉里流出来的熔融玻璃,碾压成一条连续不断的带子,由于带子的表面跟碾压机是平行的,因而不会留下印记。但是这种带子的两面都必须磨光,就意味着将会产生大量的玻璃废屑和花费很多的钱。

为了改变现状,英国科学家皮尔金顿冥思苦想,1952年他有了让玻璃的熔液浮在一种天然平滑的液体的表面的想法,接着,他花了7年的时间和700万英镑开始研究一种新型的玻璃——浮法玻璃。

浮法玻璃是这样加工的:把熔化的玻璃从熔炉里抽出来,使其成为一条连续的玻璃带,让其浮在盛满锡溶液的池子表面。由于锡的分子结构比玻璃紧密,因此,锡溶液能在相当长的时间内保持很高的温度,使浮在其表面的玻璃上凹凸不平的部分熔化,这样,玻璃板变得又光又平。由于各种自然力的作用,用这种方法生产的玻璃板约有6毫米厚,并不能满足市场上特殊用户的需要。

眼镜

古人们早已知道凸透镜使东西看起来变大了的事实,而第一个想到用透镜来矫正视力的人,是来自佛罗伦萨的科学家索文诺·德格里·阿马迪。大约在1280年,他用水晶磨成一对凸透镜,制成世界上第一副远视眼镜。阿马迪将他的发明机密告诉比萨的亚历山大·迪拉·斯皮纳修道士。后来,斯皮纳将这个秘密公之于众。于是,到14世纪上半叶,意大利出现了许多眼镜制造厂,许多意大利人都佩戴了眼镜,而威尼斯也成了眼镜制造中心。

至15世纪,用于矫正近视的凹透镜也被制造出来。拉斐尔的名画教皇利奥十世像上,就出现了这种眼镜。自此,镜片不再根据年龄分类,而是根据度数分类。

阿马迪发明眼镜的时候,还没有眼镜架。当时的眼镜,有人用手举着,有人把它缝在帽子上,有人则放在眼窝上……就这样胡乱戴了好几百年。16世纪,德国开始制造有镜桥联结的眼镜。后来又出现了夹子式镜架,戴上这种眼镜,鼻梁压挤得难受,当然很不舒服。有人无意中发现了耳朵的妙用,把眼镜的两条腿弯一下,让它挂在耳朵上不是很方便吗?于是出现了带镜脚挂在耳朵上的眼镜。第一副带镜脚的眼镜是在16世纪末,由埃尔·格雷科制成的。从此,眼镜的形状基本固定下来。

19世纪中期,镜片设计经历了从平面镜片到双凹镜片或双凸镜片的过渡,最终于1890年左右出现了我们今天通常采用的新月形曲率矫正镜片。

值得一提的是,今天颇为流行的隐形眼镜在19世纪就已出现。1827年,隐形眼镜首先由英国物理学家赫谢尔爵士设想出来,到1887年,瑞士苏黎世的弗里克医生研制出精度较高的镜片后而得以实现。

19世纪后半期,对眼镜的光度研究也取得进展。1860年,远距离视力表由屈勒和斯内伦编制出来,使视力量化。1872年,开始使用屈光透镜来表明镜片的度数。

进入20世纪,眼镜得到了更全面的改进和发展。人们很早就发现玻璃并不是制作眼镜的最理想的材料,存在重量大且易破碎的弱点。20年代,耐磨性及抗冲击性较强的水晶镜片被制作出来,由于价格昂贵,能接受的人并不多。二战期间,人们从制造飞机驾驶窗的有机材料中受到启发,经多次试验,改进制成了树脂聚合物。战后,这种聚合物开始用于镜片制作。

钟表

在古代,人类主要利用天文现象和流动物质的连续运动来计时。中国人发明制造的日晷、漏壶,以及水运仪象台都是世界上最古老的计时器。而能够持续不断工作的钟表的出现,改变了白天黑夜分别计时的传统,使一昼夜均等24小时的计时制得以推行。这一计时制的出现,成为时间观念史上的一件大事。

欧洲古老的机械钟,出现在14世纪的欧洲,它是由挂在绳子一端的重锤所驱动,绳子的另一端绕在一个轴上,随着重锤的下降,轴相应的转动,再通过齿轮带动钟的指针旋转。

1510年,德国锁匠彼得·亨兰率先用钢发条代替重锤,创造了用冕状轮擒纵机构的小型机械钟表,然而这种表的计时效果并不理想:发条若是上得太紧,指针就会走得过快;发条若是上得过松,指针就会运行得慢。

针对这一缺点,捷克人雅各布·赫克对其进行了改进。他设计出一个锥形蜗轮,由锥形蜗轮和一卷发条共同组成表的驱动机构。当发条逐渐舒张时,它通过一条绳子带动锥形蜗轮和表内的齿轮。锥形蜗轮的形状恰好能够补偿发条出力的变化。当发条卷紧时,作用力强烈地作用在锥形蜗轮的顶端,这里的杠杆作用较弱;当发条慢慢放松时,它的拉力就减弱,作用力作用在蜗轮轮子的底部,而这里的杠杆作用则较强。因此,钟表机械得以均匀地运转。

1657年,荷兰物理学家惠更斯首先把重力引入钟表,做成了世界上第一台精确的摆钟。摆钟不像以前的钟表要另设驱动机构来推动对称横臂,而是由地球重力推动。随着单摆被用于时钟,时钟的精度越来越高,到了17世纪中叶,钟表的最小误差已由每天15分钟,减少到10分钟。精确时钟的出现,使各地区的时间协调统一起来。

17世纪后期,游丝的发明,为现代精密机械钟表的出现奠定了基础。机械钟表虽有多种结构形式,但其工作原理基本相同。它主要是由原动系、传动系、擒纵调速器及指针系式上的条拨针系条组成。到了18世纪启蒙运动和工业革命开始的时候,钟表制造业已逐步实现工业化生产,并且达到了相当高的水平。钟表已经充分扮演了“一切机器之母”的重要角色,成为社会生活快节奏的缔造者。

到了20世纪,随着电子工业的迅速发展,电池驱动钟、交流电钟、电机械表、指针式石英电子钟表、数字显示式石英钟表相继问世。1929年,在贝尔实验室工作的英国人霍顿和加拿大裔美国人玛利森首次研制出晶体石英钟。这种高质量的石英钟在温度不变的环境中每天误差仅0.1毫秒或误差十亿分之一。石英钟一经问世,便引起了人们的轰动。

1942年,著名的英国格林尼治天文台也开始采用石英钟作为计时工具。20世纪70年代,石英钟的制作技术突飞猛进,应用同一原理制成的石英表亦开始风靡全球。继石英钟之后,更为先进的原子钟问世了。它是由原子振动来控制的,是目前世界上最精确的钟,即使经过100万年,其偏差也不会超过1秒钟。如今,时间观念已经渗透至每一个人的生活中,守时成为一种美德。