最近一段时间，全世界最关注的事儿莫过于新冠肺炎疫情。历史上，人类曾多次受到鼠疫、霍乱等传染病侵扰，但却长期无人知晓这些病魔致病的真正原因。直到十九世纪，在新型复消色差光学显微镜的帮助下，人们才认识到一种特定疾病是由一种特定微生物引起的。
历史上，传染病曾多次给人类带来巨大伤亡（图片来源：theguardian）
光学显微镜最核心的部件莫过于玻璃镜片。如今玻璃在我们的生活中随处可见，用于高端仪器的玻璃也层出不穷，但在一百多年前，玻璃制作依然采用千百年流传下来的传统技艺，想要研制出显微镜所需的高端玻璃可不是件容易事儿。解决这件事的是德国科学家奥托·肖特，正是他使玻璃研究成为了一门科学。
纵观近代科学大家，几乎都拥有博士学位，肖特也不例外。然而，肖特的求学之路却显得格外艰难，甚至差点没能拿到学位。
年轻时的奥托肖特（图片来源：Wikimedia）
转学，还是转学
肖特于1851年出生于德国的一个玻璃世家，祖上三代都以制作玻璃为生。中学时代，肖特的物理和化学成绩十分优异，父亲因此希望他能通过所学帮助改善制作玻璃的工艺。俗话说“百闻不如一见”，肖特刚从中学毕业，就开启了游学生涯，试图从生产一线中求取真经。一年间，他到访了欧洲形形色色的化工厂和玻璃厂，还在一家生产酸碱盐的化工厂学会了化学定性与定量分析的技术。一番考察后，肖特发现多数玻璃厂都过度依赖于传统经验，玻璃质量参差不齐，亟需科学理论提升玻璃水平。
19世纪的玻璃工厂（图片来源：Science Photo Library）
为了提高自己的理论技能点，肖特决定前往大学修炼，他首先将目标瞄准了刚成立的亚琛工业大学。在亚琛，肖特师从当时德国著名化学家兰多尔特，练就了一身将物理和化学联合研究的硬本领。可毕竟学校成立时间不长，实验条件有限，三年后他便转学到了历史悠久的维尔茨堡大学。孰料一踏上维尔茨堡的土地，肖特就大呼后悔，原来维尔茨堡也没有化工实验室！巧妇难为无米之炊，毕业心切的肖特没有丝毫迟疑，决定赶赴历史更久的莱比锡大学碰碰运气。
19世纪的莱比锡大学（图片来源：Wikimedia）
有道是“工欲善其事，必先利其器”，莱比锡大学完备的实验条件让肖特如虎添翼。通过大量实验，他发现如果采用硅酸钠或石膏、硫酸钠和碳的混合物作为原材料，可以减少制作玻璃时的硫损失。如果将原材料添加速度放缓，则能进一步实现充分熔融，有效避免气孔、颗粒等缺陷产生。他还尝试采用分子动力学阐释玻璃的结晶过程，认为玻璃是晶态硅酸盐溶于非晶态硅酸盐的固态溶液，其结晶过程便是晶态硅酸盐的析出过程。
1874年初夏，年仅23岁的肖特完成了题为《玻璃制作理论与实践研究》的博士论文，并将其递交至莱比锡大学哲学系。然而，令他万万没想到的是，比他当初到处寻找实验室还要糟心的事发生了。
肖特论文中的插图（图片来源：《现代物理知识》）
拿学位，太难了
原来，负责评阅肖特论文的是颇有名气的化学家柯尔贝。柯尔贝是化学大咖维勒（注[1]）的得意弟子，还做过德国化学泰斗本生（注[2]）的助手，化学中“合成”的概念就是由他最早提出。不过，柯尔贝是个有名的“怪老头”，曾做过出版社的科学编辑，对他人总持怀疑态度，就连第一位诺贝尔化学奖获得者范特霍夫都被他无情嘲讽过。因此，当肖特的论文落入柯尔贝之手后，柯尔贝表现得无比嫌弃，他不但直斥肖特的文字表述能力差，还认为玻璃制作只是一门技术，并非什么高大上的科学，肖特根本达不到合格化学家的水准。
德国化学家柯尔贝（图片来源：Britannica）
对于柯尔贝的评价，肖特丝毫不敢怠慢，立即着手修改论文。然而，当他将修改后的论文交给柯尔贝时，后者再次发动了嘲讽技能，认为肖特态度不够端正，没有完全按照意见修改。白驹过隙，转眼间到了年底，肖特有些按捺不住，再次将论文送至莱比锡大学哲学系。柯尔贝得知后，深感肖特对自己不尊重，不但给论文一个大大的差评，还怂恿其他评审人也都不予通过。
肖特十分无奈，打算再次转学。次年，他进入耶拿大学。幸运的是，耶拿大学的评审教授们比柯尔贝宽容得多，一致认为肖特通过理论与实验结合，既解释了玻璃制作过程中的特殊现象，又提出了新的改进方法。纠结半年多的肖特终于迎来柳暗花明，欣慰地戴上了博士帽。
2001年奥托的博士论文被重新出版（图片来源：Verlag）
小玻璃，大功用
被学业搞得精疲力竭的肖特决定离开象牙塔，他将自家阁楼和地下室改造成实验室，平时白天在一家化工厂上班，晚上则在实验室里继续自己喜欢的研究。数年间，他发表了大量关于玻璃制作的论文，内容从玻璃的原材料组成与提取到加工过程中的硬化与冷却问题几乎无所不包。
不过，肖特的研究多少有些自娱自乐的性质，并未获得真正的应用。1881年，一封来信彻底改变了肖特的命运。寄信人是耶拿大学物理教授阿贝，曾凭借先进的光学理论帮助蔡司公司发展成为世界领先的显微镜制造商，但他却始终无法解决显微镜系统中消除色差的问题，故而写信寻求肖特的帮助。
阿贝与他发明的显微镜（图片来源：Anasys Instruments）
我们知道，当太阳光穿过三棱镜后，由于不同波长的光折射程度不同，会产生从红到紫排列的光谱，这便是色散。由于色散现象的存在，当光线穿过显微镜的凸透镜后，所形成的图像难免会模糊。一种解决方式是在凸透镜后增加一个凹透镜，以使光线重新汇聚。可毕竟不同色光的焦点不同，想要实现清晰的图像，必须使两块玻璃的相对色散（即不同波长的光折射率差的比值）相符，尽管这一问题很早就被科学界认识到，但因为玻璃制造技术不受重视，一直没能很好解决。
光的色散现象（图片来源：Wikimedia）
收到阿贝的信后，肖特开始马不停蹄地实验起来。他尝试将当时能获得的矿物元素系统地加入玻璃熔体中，对磷酸玻璃、硼酸玻璃、硅酸玻璃、硼硅酸玻璃等玻璃的光学特性做了细致测定。经过近百次的实验，肖特惊喜地发现，如果在某种凹透镜中添加硼酸，可收缩蓝紫光区光谱，使其相对色散与凸透镜匹配。
在肖特与阿贝的努力下，蔡司公司很快就推出了新型复消色差光学显微镜，采用相同玻璃制造的天文望远镜与摄像器材也应运而生，极大地推动了医学等自然科学的发展。后来，为了加强与阿贝的合作，肖特索性搬到耶拿居住，并于1884年建立了世界第一家光学玻璃工厂。
奥托肖特（图片来源：Stone Forest）
除了光学玻璃，肖特还研制出许多特殊医用玻璃，比如，他曾发明一种几乎没有热胀的含锂玻璃，用其制作的温度计十分精确。此外，肖特还解决了大质量玻璃的熔炼问题，大大促进了玻璃产业的发展。经过肖特的不懈探索，玻璃研究真正成为了一门科学。如今，德国耶拿市已成为举世闻名的“光学之都”，耶拿大学亦设有肖特材料研究所，肖特对世界玻璃科学的巨大贡献一直被人们铭记。
位于德国耶拿的肖特故居（图片来源：Gelbe Seiten）
人物小档案：
奥托·肖特（Otto Schott，1851.12.7 – 1935.8.27），德国化学家，光学玻璃专家，被誉为“现代玻璃之父”，建立了世界第一个光学玻璃工厂。肖特成功解决了玻璃制造中的条纹问题，通过引入蓄热式煤气炉解决了更高温度下的玻璃熔制问题，并完全解决了光学成像系统中的消除色差问题。
注释：
[1] 弗里德里希·维勒：德国化学家，因首次人工合成尿素而闻名。
[2] 罗伯特·威廉·本生：德国化学家，与基尔霍夫共同发明了光谱分析法，曾分析鉴定上千种无机物，对无机分析与测量做出了重大贡献。
参考文献：
[1] 吴限. 现代玻璃材料科学之父——奥托·肖特[J]. 现代物理知识, 2018(1): 65-70.
[2] 林常规. 阿贝、肖特、蔡司与耶拿玻璃[EB/OL]. (2017-2-16)[2020-2-20].
[3] Winkelmann A, Schott O. Ueber die Elasticit?t und über die Zug- und Druckfestigkeit verschiedener neuer Gl?ser in ihrer Abh?ngigkeit von der chemischen Zusammensetzung [J]. Annalen der Physik, 1894, 287(4): 697-729.
[4] Winkelmann A, Schott O. Ueber thermische Widerstandscoefficienten verschiedener Gl?ser in ihrer Abh?ngigkeit von der chemischen Zusammensetzung [J]. Annalen der Physik, 1894, 287(4): 730-746.
