ガラスは固体です。原子の並び方こそ液体に似ていますが、常温のガラスは人の時間ではまったく流れません。中世の窓ガラスを使った計算では、動く距離は10億年でおよそ1ナノメートル。古い教会の窓が下のほうで厚いのも垂れた跡ではなく、厚みにむらのある板を、厚い側を下にしてはめ込んだ結果とされています。
常温のガラスは流れない
中世の窓ガラスで流れる速さを計算した研究
2017年、米コーニング社のガラス研究者オズグル・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る1268年の窓ガラスと同じ組成を調べました。結果は米国セラミックス学会誌に載り、常温での流れにくさ（粘度）は10の24乗〜25乗パスカル秒と見積もられています。
※ 粘度とは、流れにくさを表す量のことです。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。
10億年で動くのは1ナノメートル
同じ研究によれば、中世のガラスが動く距離は10億年でせいぜい1ナノメートルです。地球が生まれてから今日までの時間をかけても、進むのは数ナノメートル。髪の毛の太さの数万分の1にすぎません。理屈のうえでは「止まっている」とまでは言えないものの、測って確かめられる量ではありません。数百年で窓の形が変わるという話とは、桁がまるで合わないのです。
以前の見積もりより16桁も流れやすかった
おもしろいのは、この値がそれまでの見積もりより16桁も小さかった点です。以前の計算は現代のソーダ石灰ガラスをもとにしていましたが、中世の窓はカリウムやマグネシウムが多く、ケイ素が少ない組成でした。
本物の中世ガラスは「思っていたより流れやすい」と分かったわけです。それでもなお、人の歴史の長さでは変形が見えません。流れないという結論は、むしろ念入りに裏づけられました。
ガラスは液体とどこが似ている？
原子の並び方に遠くまで続く規則がない
氷や食塩のような結晶は、同じ原子の並びが端までくり返されます。ガラスにはそのくり返しがありません。隣り合う数個の原子までは整っていても、少し離れると並びの規則が消えてしまいます。X線を当てて調べると、違いがはっきり出ます。結晶なら鋭い線がいくつも並ぶところ、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。
溶ける温度が一点に決まらない
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。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。温めるにつれて少しずつ軟らかくなり、呼び名の違う目安の温度が段階的に並ぶのです。
| 温度の目安 | 呼び名 | そこで起きること |
|---|---|---|
| 約500℃ | 徐冷点 | 15分ほど保つと、内部にたまったひずみが抜ける |
| 約550〜560℃ | ガラス転移点 | 固体らしい振る舞いと液体らしい振る舞いの境目 |
| 約700℃ | 軟化点 | 自分の重さで形が変わりはじめる |
| 約900℃ | 作業点 | 職人が形を作れるほど軟らかくなる |
目安の値は組成や冷やし方で前後するものの、表の温度帯より下の常温はどの基準から見てもはるかに「固い側」です。
結晶にならないまま固まる「ガラス転移」
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、やがて動けなくなります。この移り変わりがガラス転移で、急いで冷やした現代の窓ガラスではおよそ550℃で起きます。
※ 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。
固体と液体、どちらで呼べばいい？
今の答えは「非晶質の固体」
ふだんの意味で言えば、ガラスは固体です。形を保ち、叩けば割れ、押しても流れません。ただし結晶ではないので、教科書では「非晶質の固体」として区別されます。
※ 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。
2017年に出た新しい定義
ブラジルのエドガー・ザノットと米国のジョン・マウロは2017年、ガラスの定義を見直す論文を出しました。一般向けの言い方は「短い時間では固体に見えるが、たえず液体の状態へ向かって緩んでいく、非平衡・非結晶の物質」です。
この定義は「固体か液体か」の二択に答えるのではなく、ガラスを独自の状態として扱います。見た目は固体、中身は液体に近い。両方の顔を一つの言葉で言い表そうとした試みです。
最後は結晶になる、ただし途方もなく先
同じ論文によると、時間を無限にかければガラスは最終的に結晶になるとされます。ただ、常温でそこへ至るまでの時間は、人の歴史とは比べものになりません。窓ガラスが固体として役目を果たすことは、この定義でも少しも揺らぎません。「液体へ向かって緩む」は、あくまで地質学的な時間で見たときの話です。
古い窓の下はなぜ厚い？
回して広げる「クラウンガラス」
答えは物理ではなく、職人の作り方にありました。代表的な製法がクラウンガラスです。溶けたガラスを吹いて球にし、竿の先で高速に回すと、遠心力で直径1.5〜1.8メートルほどの円板に広がります。
この円板は、竿をつけていた中心ほど厚く、ふちへ向かうほど薄くなります。そこから四角い板を切り出すのですから、1枚のなかに厚い側と薄い側ができるのは避けられません。
小さな板を鉛の桟でつないだ窓
円板のふち近くの良い部分は小さな四角や三角に切られ、鉛の格子に1枚ずつはめ込まれました。教会のステンドグラスが細かい板の集まりに見えるのは、この作り方の名残です。
中心の厚い「ブルズアイ」と呼ばれる部分は、安い窓に回されました。手吹きの板ガラスが広く使われたのは、19世紀の終わりごろまでのこと。
重い側を下にすると据わりがいい
厚みの違う板をはめるとき、職人は厚い側を下にすることが多かったとされます。重い側が下にあるほうが見た目に安定して見えるからだ、とマウロは説明しています。
何百年も後の人がそれを見れば、「下が厚い窓」が並んでいるわけです。作った時点でついていた厚みの差が、流れた証拠と読み違えられました。
流れたのなら説明がつかないこと
2000年前のローマのガラス器が形を保っている
大英博物館にある「ポートランドの壺」は、紀元1世紀ごろに作られたローマのガラス器です。中世の窓より1000年以上古いのに、垂れた跡は見られません。数百年で窓が目に見えるほど垂れるなら、その何倍も古い器はとうに崩れているはずです。こうした古代のガラス器は、ソーダ石灰ガラスがほとんど流れないことの有力な証拠とされています。
古いガラスを調べ続けた研究者の結論
コーニングガラス美術館のロバート・ブリルは、1960年代から古いガラスの性質や組成を測り続けてきた研究者です。流動説の証拠を探す側でも、否定する側でも、資料を集めてきました。
そのブリルの結論も、中世のステンドグラスは流れていないというものでした。古い窓に見られるたわみや波打ちは、作った時の不ぞろいと考えるほうが筋が通ります。
150年前の望遠鏡レンズもくもっていない
レンズの形がわずかでも崩れれば、望遠鏡の像はすぐにぼやけるはずです。ところが150年ほど前の古い望遠鏡のレンズは、いまも良い像を結んでいます。
もっとも、光学ガラスは窓ガラスと組成が違うので、これだけで窓の話は決められません。窓ガラスについては、上の計算とローマの器のほうが決め手になります。
ゆっくり流れるピッチと比べると？
1927年から続くピッチドロップ実験
オーストラリアのクイーンズランド大学には、1927年に始まった実験が今も置かれています。初代物理学教授のトーマス・パーネルが漏斗（ろうと）にピッチを入れ、何年もかけて1滴ずつ落ちる様子を見せるものです。
常温のピッチは、ハンマーで叩けば砕けるほど硬く感じられます。それでも放っておくと流れる、れっきとした流体です。最初の1滴が落ちるまでに8年かかりました。
※ ピッチ（瀝青・れきせい）とは、石油やコールタールから得られる黒くねばねばした物質のことです。道路の舗装などに使われるアスファルトの仲間です。
9滴目は落ちる前にちぎれた
8滴目が落ちたのは2000年11月28日でした。9滴目は2014年4月、たまった8滴とくっつく前にビーカーを取り替えようとした作業中に、台がぐらついてちぎれてしまったと伝えられます。90年以上かけて9滴という速さです。人の一生のうちに数回しか見られない「流れ」ですが、それでもガラスとは比べものになりません。
ガラスはピッチの1000兆倍以上流れにくい
ピッチの粘度は水のおよそ2300億倍と計算されています（大学の紹介ページでは「1000億倍」と丸めた表現）。身近な液体と並べると、ガラスの値の大きさが際立ちます。
| 物質 | 粘度のおよその値 | 流れ方の実感 |
|---|---|---|
| 水（20℃） | 0.001 Pa·s | こぼせば一瞬で広がる |
| はちみつ | 数 Pa·s | とろりと落ちる |
| ピッチ | 約2×108 Pa·s | 10年前後に1滴落ちる |
| 中世の窓ガラス（常温） | 1024〜1025 Pa·s | 人の歴史では動かない |
ピッチとガラスの差は16桁ほど、つまり1000兆倍を軽く超えます。「固く見えて実は流れる」代表のピッチでさえ、ガラスの横では身軽な液体に見えてしまう計算です。
「ガラスは液体」説はなぜ広まった？
「凍りついた過冷却液体」という説明
ガラスの成り立ちは、よく「過冷却液体が凍りついたもの」と説明されます。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。作り方の説明としては正しい言い方です。
ところが「液体からできた」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と考えられます。いつ誰が言い出したのかは、はっきりしていません。
誰でも見に行ける「物証」がついていた
この俗説が強かったのは、目で確かめられる物証とセットで語られたからでしょう。古い教会へ行けば、下のほうが厚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。授業の小話としても使いやすく、教室から教室へ受け継がれていきました。
平らな板ガラスは1950年代から
今の窓がどれも均一なのは、溶かした錫（すず）の上にガラスを浮かべて平らにするフロート法のおかげです。英国のピルキントン社が1953〜57年に開発し、1960年から本格的に売り出しました。
均一な窓に慣れた目には、厚みのむらが「異常」に映ります。むらのある窓こそ当たり前だった時代の事情が忘れられたことも、俗説を後押ししたのかもしれません。
身のまわりにもあるガラスの仲間
黒曜石は火山が作ったガラス
ケイ素を多く含む溶岩が急に冷えると、結晶になる暇がないまま固まります。こうしてできるのが黒曜石（こくようせき）で、成り立ちは窓ガラスとよく似ています。割ると鋭い刃ができるため、石器時代から刃物や矢じりの材料に使われました。数万年前の矢じりがいまも鋭いままなのは、天然のガラスも流れないことを物語っています。
べっこう飴が透きとおる理由
砂糖を煮詰めて一気に冷やすと、結晶にならないまま透明なかたまりになります。べっこう飴が澄んで見えるのは、ガラスと同じ理屈です。作りかけの飴が白くざらついてしまう失敗も、これで説明がつきます。冷やし方がゆっくりすぎたり混ぜすぎたりして、砂糖が結晶へ戻ってしまったのです。
ガラスの正体は物理学の宿題
ノーベル賞物理学者のフィリップ・アンダーソンは1995年、ガラスとガラス転移の理論を「固体理論でもっとも深く、もっとも興味深い未解決問題」と書きました。
窓に使われて2000年近くになる材料が、理論の側ではいまも手強い相手です。2017年の新しい定義も、その宿題に取り組む試みの一つといえます。
窓のガラスが流れていないことは、桁違いの数字ではっきり示されました。けれど「ガラスとは何か」という問いのほうは、いまも研究者の手のなかにあります。片づいた問いと片づいていない問いが、教会の古い窓の一枚に同居しているわけです。
参考
- The American Ceramic Society「Glass viscosity calculations definitively debunk the myth of observable flow in medieval windows」
- The American Ceramic Society「New definition of glass describes non-equilibrium state of matter ending in crystallization」
- The University of Queensland「The Pitch Drop Experiment」
- The Physics FAQ「Is glass liquid or solid?」
関連記事
