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考古學研究的科學趣味:最早的人造寶石–玻璃

製造工具以及創作藝術品,是人類有別於地球上其他生物的最大特徵。玻璃取材於大自然的石英砂,是人類為了模仿天然玉石所製作出來的。
 
 
 
利用自然萬物製造工具以及創作藝術品,是人類有別於地球上其他生物的最大特徵。翻開人類的演化歷史,從開始站立行走到懂得製造工具,大約花了數百萬年的時間。後來進步到懂得製作不同用途的器具,也歷經將近200萬年的時間。

但人類的藝術創作動機,卻直到舊石器時代的晚期(大約距今5萬年前左右)才真正開始發展。從此人類的「創造力」一發不可收拾,不僅在洞穴或岩壁上留下許多充滿動感的岩畫,考古遺址也常發掘出動物及人物的石刻。社群也有了墓葬行為,因此留下許多亡者生前喜歡,或死後世界可能會使用的器物等陪葬品。

比起衣物編織品等易於腐敗分解的有機物,美麗的玉石製品往往是考古遺址中重要的墓葬遺留物,是考古學家用來重建過去人類活動有力的證物。以位於中國河北省滿城縣著名的漢代中山靖王墓為例,雖然墓主的遺骸和衣著早化作灰褐色的粉末,灰飛而湮滅,但昔日入葬穿著的金縷玉衣仍完好如初,讓歷史和考古學者藉此對西漢社會嚴格的分級制度有了進一步的認識。

但許多考古遺址出土的陪葬玉石並非全是天然製品,有些可是聰明的祖先發明製造出來的。比如著名的埃及法老王圖坦卡門墓葬出土的黃金面罩,藍色眉毛是天然的青金石礦物,髮飾上黑色的部分是天然玻璃—黑曜石—構成,醒目的藍條假髮卻是人工合成的玻璃。雖然玻璃也是取材於大自然的石英砂,卻是人類為了模仿天然玉石所製作出來的最早人造寶石。

石英、玻璃與寶石

除了珊瑚、琥珀、珍珠等是生物的有機作用所生成的以外,大多數寶石都是單一種類礦物(如鑽石、綠寶石、紅寶石等)或多種礦物聚集而成(如臺灣玉、翡翠、青金石等)的玉石。它們或者因為美麗的顏色,或者因為溫潤的光澤,或者因為耀眼的火光而吸引眾人的眼光,但這些特質在人類的巧思下,大都可以利用玻璃的製造達到模仿的目的。

學理上定義結晶體必須具有一定的化學組成和規則的原子排列,因此有一定的熔點,比如地表最常見的石英,化學組成是二氧化矽,熔點是攝氏1,730度。

而所謂的「玻璃」(在中文古籍中一般都把玻璃稱為「琉璃」,唐代以前甚至寫做「流离」或「璧流离」,因此「琉璃瓦」就是上釉的瓦,「琉璃珠」就是「玻璃珠」)看似固體,卻非真正的結晶體。因為玻璃只在很小的範圍內具有規則、有序的原子排列(大約僅有0.5~0.6 nm),原子的分布情況近似於液體,因此它的熔點會落在一定的範圍內而非定值,且依製造玻璃的原料及過程而定。

玻璃從固態到完全熔化成液態熔液的溫度範圍內,物理性質是連續且可逆的變化,稱為「轉變」或「塑性」區域。但結晶體由固態轉變成液態的溫度固定(熔點溫度),在這溫度下,原子排列從有序驟然變成無序,比重、折射率等物理性質也是驟然改變。

在玻璃體的塑性溫度範圍內,可以進行壓型、吹製、抽拉、焊接等工藝,也難怪當人們掌握了玻璃的製造能力後,對這材料喜愛有加,並把玻璃的製造工藝發揮得淋漓盡致。由於玻璃可視為一種固態的液體(沒有固定的原子排列),因此常溫下的玻璃體並非處在永久的穩定狀態,只是在室溫下,玻璃的黏滯度很高,不容易觀察到重力對玻璃體的影響,只有在一些古老建築物的窗玻璃上,可以觀察到重力導致玻璃上端和下端的厚度不均。

玻璃的成分基本上以二氧化矽為基質,依據加入元素種類的不同,而有不同的物理性質。比如,晶瑩剔透的水晶玻璃就是採用鉛玻璃的比重大、折射率高的特質;實驗室中常用的硼酸玻璃燒杯或試管,就是因為它的熱膨脹係數低。由於玻璃是石英砂混合了多種礦物經過部分熔融所製成,可視為一種人為製造出來的黑曜岩。玻璃的冷卻過程如果不當,可能在轉變區產生析晶的現象,這時玻璃的透明感就會大大降低。

中國古士大夫自比配玉以潤德,對於晶瑩剔透寶石的喜愛遠不及溫潤的玉石,在玻璃工藝的發展上,傾向於如何長出析晶來模仿玉石的潤澤感。如此和西方文化不同的玻璃工藝發展路線,造就日後中國名窯古瓷特有的釉色。

玻璃的析晶過程包括:晶核的產生和晶體的成長,兩者都和玻璃熔液的冷卻速度及玻璃的成分有關。在考古出土的遺物中,發現古代玻璃的主要組成大致分為Na2O-K2O-CaO-SiO2、Na2O-K2O-PbO-BaO-SiO2及Na2O-K2O-SiO2 三個系統。每種玻璃都有一定的成分比例,可見這是古人在長時間的經驗累積中,經過多次原料成分和比例的調整後,了解到哪些玻璃系統較為穩定,可以避免熔化後的玻璃體在冷卻過程中結晶而降低其透明感。

事實上,高熔點(攝氏1,730度)的石英礦物不可能利用傳統的窯爐(陶土在攝氏1,100~1,300度開始熔化)直接熔化,必須找到適當的助熔劑以降低熔點。最早在西亞發展的玻璃工藝,利用草木灰中的碳酸鉀和分布廣泛的石灰岩中的氧化鈣做為助熔劑。

然而草木灰製作麻煩,品質又不穩定(植物的種類和部位、燒的溫度及時間都會影響草木灰的成分),當技術傳至埃及後,撒哈拉沙漠乾燥氣候下所形成的硝鹼,便取代草木灰成為最好的天然助熔劑。因此玻璃組成由氧化鉀-氧化鈣-矽酸鹽系統轉變成氧化鈉-氧化鈣-矽酸鹽玻璃為主,高鈉∕鉀比值的古代玻璃成為埃及系列的代表。

西元前後,古埃及王國因為羅馬帝國的興起,和西北方的西亞外族不定時的入侵,沙漠地區的硝鹼貨源供應變得相當不穩定。在羅馬帝國對於玻璃需求量很大的情況下,只有回歸使用草木灰做為助熔劑,此後氧化鉀-氧化鈣-矽酸鹽玻璃又成為歐陸玻璃的主流。

從考古出土的資料,可以觀察到中國開始使用玻璃材料時,型態上受到西方玻璃珠製作工藝的影響。但以化學組成而言,又含有高量的鉛、鋇等元素,迥異於埃及、羅馬等文化慣常採用的鈉鈣玻璃或鉀鈣玻璃。事實上,除了鹼以外,鉛也是很好的助熔劑,而中國古代玻璃工匠常添加重晶石和方鉛礦做為石英砂的助熔劑,因此鉛鋇矽酸鹽玻璃成為中國製玻璃的特色。

最早的玻璃

根據考古發掘的資料顯示,西元前3,000年左右,巴比倫和古埃及已是當時的玻璃製造中心。只是這些最早的製品還不是透明的純玻璃狀態,而是半熔化態的釉砂(又稱費昂斯,faience)或玻砂(又稱費列特,frit),這兩類製品可稱是玻璃的先驅。

所謂釉砂是指把石英砂和硝酸鈉或碳酸鉀一類的鹼以及石灰岩混在一起燒,由於加熱的溫度僅有攝氏700~800度,因此只有少量的石英砂開始熔化燒結,無法製成大量的透明玻璃。

至於玻砂的材料仍是石英砂、鹼和石灰岩,但加熱溫度已提升至攝氏900度以上,熔化成玻璃相的比率因此增加。當時工匠一般把玻砂磨成粉後成為陶器的釉料,或是再一次加熱以熔出更多的玻璃相。臺灣的鐵器時代遺址也有玻砂珠子出土,可能利用砷酸鉛做為著色劑,因而呈現黃色的底色。

玻砂的進一步發展是用來製作鑲嵌玻璃(也稱馬賽克),做法是先使玻砂粉料再熔化製成小塊不透明的玻璃(因為玻砂中的石英砂並未完全熔化,仍以小顆粒狀混在熔融的玻璃相中),然後拼接成圖案。目前收藏在德國柏林佩加蒙博物館(Pergamon Museum)的巴比倫時期伊什塔爾城門(Ishtar Gate),就是玻砂馬賽克的精美傑作。

隨著燒製技術的提升,到了青銅時代的後期,熔爐的加熱溫度已經可以達到攝氏1,050度以上,人們因此能製備完整的玻璃態物件。

比如,古埃及的新王國時期(西元前16~11世紀),彩色玻璃工藝已發展完善,人們喜歡利用矽酸鈣銅做為著色劑,製造藍色底色的鑲嵌珠(俗稱蜻蜓眼珠,eye bead),再和玉石組成項鍊,這種蜻蜓眼珠還遠傳至北方的歐陸及東方的中國。根據當時的舊約全書記載「黃金與玻璃不能與智慧相比」,顯示當時玻璃的價值應該不斐,等同於黃金,而王公貴族們競相以擁有玻璃製品做為身分的表徵。

現代玻璃主要用於容器和平板窗玻璃(主要是鈉玻璃)製作,而早期的玻璃製品,裝飾目的可能大於實用性。
考古資料顯示,西元前16世紀,在美索不達米亞地區出現的玻璃製造技術,很快地傳播到敘利亞、塞浦路斯、埃及、愛琴海等地,並藉著印度洋的貿易路線,把玻璃傳至印度,再擴散至更遙遠的東南亞。

根據考古資料和中國古籍的記載,約在西元前一千年左右,已有不少的玻璃製品和技術從西域的陸上絲路或東南亞的海上絲路傳入中國,在新疆、四川、廣東和湖南一帶出土許多蜻蜓眼珠,成分和埃及製造的玻璃珠十分類似。隨後在戰國時期楚墓出土的青銅劍,也可以看到中國自製的人造玻璃和天然寶石同時鑲嵌在劍格上。東漢王充在著名的古代科學著作《論衡》第二卷〈率性篇〉中提到「消煉五石,鑄以為器,磨礪生光,仰以向日,則火來至」,也說明在紀元初期,中國人已能自製和加工玻璃了。

歷史與傳承 臺灣的玻璃珠

數年前〈海角七號〉風靡臺灣,藉由影片把排灣族琉璃珠的文化傳統介紹給臺灣民眾。在排灣族的傳統文化中,有所謂的「三珍寶」:陶壺、青銅刀、琉璃珠。其中,琉璃珠是排灣族的象徵之一,是世代珍視典藏的珠寶,是排灣貴族傳家或婚聘時不可或缺的寶物,族人相信戴琉璃珠,祖先會庇祐保護。因為排灣族有貴族和平民不同階級,因此珠子的式樣和數量也意味身分階級的區分。

但這些特殊的多彩琉璃珠,排灣族人卻無法指出最早出現的年代,認為可能是當初遷臺祖先一起攜帶過來的。由於臺灣遲至400年前才進入所謂的歷史時期,原住民早期的歷史只能靠代代相傳的神話傳說加以揣測,因此臺灣原住民族的文化溯源至今未有一致的說法。

語言學的研究顯示,臺灣很可能是地球上分布面積最大的南島語族的原鄉。可惜因為遺址出土的有限,加上南島語族並無文字以記錄歷史,因此人類學者對於臺灣原住民的起源以及南島語族的散播總有許多歧異。很幸運地在2005年,臺東太麻里的舊香蘭遺址出土了一批考古遺物,其中包含上萬顆南島語族廣泛使用的印度-太平洋珠(Indo-Pacific beads,多是拉製單色玻璃珠,顏色多是紅色、藍色、綠色及黃色),和排灣、魯凱等族傳統圖騰雷同的陶片紋飾,以及和勇士配戴的青銅刀柄型制相似的砂岩質模具。

遺址文化層的碳十四年代顯示,舊香蘭文化最早可以溯及二千多年前。這個時代正是南島語族快速散播至泛太平洋的年代,加上從考古遺物演繹的文化內涵推論,當年很可能是一批帶有煉製金屬器和玻璃器能力的民族在臺灣東海岸登陸,並把這套技術在臺灣東南隅散播開來。有趣的是,這些具有排灣族圖騰的特殊紋飾類型陶片不僅在舊香蘭遺址出土,也廣泛分布在卑南大溪以南的臺東平原、東南海岸沿岸,以及恆春地區各地的遺址,和今日使用琉璃珠的排灣、魯凱及卑南3族的分布範圍相近。

早期舊香蘭人製作琉璃珠或許沿襲了南島語族慣用的單一顏色和簡單的拉製工藝,但歷經2,000年的時間,承襲先民技術的臺灣原住民已發展出有更多元顏色和式樣(甚至1顆珠子可以包括6到7種顏色的紋彩)及民族特色與歷史傳承的琉璃珠。

科技因人類的需求而進步,古埃及人會製作含銅的藍色玻璃取代稀少的青金石礦物,漢民族則希望燒製出模仿溫潤玉質的玻璃,讓一般市井小民也能以平實的價格擁有昂貴的羊脂玉仿製品。今日玻璃也試圖取代鑽石成為飾品上最閃亮的寶石,事實上,現代市場上所謂的斯伐洛水晶,便是利用鉛玻璃加上微量的致色元素做成的。玻璃中鉛的含量往往達到40%以上,利用鉛玻璃具有提升玻璃的透明度、折射率和比重的特性,切面斯伐洛水晶可以比一般的水晶礦物(石英)發出更耀眼的火光。

五千多年來,玻璃已從美麗的玉石替代品,到日常生活不可缺乏的用品,甚至在臺灣排灣、魯凱及卑南3族的傳統中,玻璃珠還成為族群意識和內聚力的象徵。這時,玻璃不再只是玻璃,而是個人現在的存在和過去傳統的連結。
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