ガラスは固体か液体か、古い窓の下が厚いのはなぜ？

ガラスは固体です。「じつは液体で、何百年もかけてゆっくり流れ落ちている」という話を聞いたことがあるかもしれませんが、常温のガラスは流れません。古い教会の窓が下のほうで厚くなっているのも、垂れた結果ではありませんでした。

とはいえ、この俗説がここまで広まったのには事情があります。ガラスは氷や食塩のような「きちんと結晶になった固体」とは、たしかに違うつくりをしているからです。

「流れるのか」と「固体なのか」は別の問い

「ガラスは液体か」という一つの問いに見えて、中身は性質の違う二つの問いが混ざっています。先に分けて答えを置きます。

※ 非晶質（ひしょうしつ／アモルファス）とは、原子が規則正しく並んだ結晶構造を持たない状態のことです。

俗説とはいえ、まったくの出まかせから生まれたわけではありません。ガラスには、たしかに液体めいた顔がいくつもあります。

氷は0℃で水になります。この「ここから液体」という一点があるのが結晶の特徴です。ところが窓に使われるソーダ石灰ガラスには、その一点がありません。

代わりに、性質が切り替わる温度が段階的に並びます。ひずみ点が約505℃、転移点が約550℃、軟化点は約730℃。加熱していくと少しずつ軟らかくなり、どこかで「溶けた」と言い切れる瞬間が来ません。

溶けたガラスを冷やしても、結晶に変わる瞬間は訪れません。原子が整列する暇もなく粘りだけが増していき、やがて動けなくなります。この乗り移りがガラス転移です。

※ ガラス転移とは、液体が結晶にならないまま粘りを増し、固体のように振る舞いはじめる変化のことです。プラスチックやゴムでも起こります。

結晶は同じ並びが端まで繰り返されます。ガラスにその繰り返しはありません。隣り合う数個の原子までは規則的でも、少し離れると秩序が消えてしまいます。

X線を当てるとその差が出ます。結晶なら鋭い線が並ぶところ、ガラスはぼんやりした山になるだけ。この模様は液体を測ったときとよく似ています。

製造の説明としては、この言い方は正しいものです。結晶になり損ねた液体が、そのままの姿勢で動きを止めた——それがガラスの成り立ちだからです。

ただし「そのようにしてできた」と「いまも液体である」は別の話でした。生まれの説明が、現在の状態の説明として一人歩きしたわけです。

いつ誰が言い出したのかは特定されていません。ドイツ語で書かれたガラスの熱力学の文献を読み違えたのが始まりとも言われますが、確たる証拠はないようです。

この俗説が強かったのは、誰でも確かめられる物証がついていたからでしょう。教会へ行けば、下のほうが厚い古い窓が実際にはまっています。

「見ればわかる」話は伝わりやすく、疑われにくいものです。授業で使うにも都合がよく、教科書から教科書へ渡り歩きました。

「まったく流れない」と「観測できないほど遅い」は厳密には違います。物理としては後者が正しく、そして後者の数字がとんでもない大きさになります。

2017年、オズグル・ギュルビテンとジョン・マウロが、ロンドンのウェストミンスター寺院にあった1268年の窓ガラスを調べました。米国セラミックス学会誌に載った論文で、常温での粘度は10の24乗から25乗パスカル秒と見積もられています。

この値は、それまで有力だった推定より16桁も小さいものでした。つまり「思っていたより流れやすい」と分かったうえでの数字です。それでも人の一生では何も起きません。

※ 粘度とは、流れにくさを表す量です。単位はパスカル秒（Pa·s）で、値が大きいほど動きにくくなります。

同じ研究チームの計算では、中世のガラスが動く距離は10億年でおよそ1ナノメートルでした。宇宙が生まれてからずっと流れ続けたとしても、進む距離は髪の毛の太さの数千分の一にも届きません。

身近な液体と並べると、桁の違いが見えてきます。