雪是水的小尺度固體形式之一一般來(lái)說(shuō)，雪花是六邊形的，具有D6對(duì)稱性，但每一片雪花都是獨(dú)一無(wú)二的雪花如何在保持D6對(duì)稱性的同時(shí)可以有不同的形狀，這一直是一個(gè)令人困惑的問(wèn)題開普勒給出了行星運(yùn)動(dòng)三定律，是研究雪花形成機(jī)制的第一人，帶來(lái)了固體的球形密堆積模型

地球不同于其他行星的一個(gè)顯著特征是，它70%的表面被水覆蓋假設(shè)地球表面均勻覆蓋著水，平均水深可達(dá)2700米地球表面的物理?xiàng)l件可以使水的固液氣三相共存于一個(gè)角落這一特征對(duì)于理解地球生命起源和人類創(chuàng)造的物理學(xué)具有至關(guān)重要的意義記住，水的所有屬性都是不正常的，不能想當(dāng)然就大塊冰而言，已知有16種晶相，其中三種比液態(tài)水輕謝天謝地，自然界常見的冰，Ih相，比水輕——如果不是這樣，你將沒(méi)有機(jī)會(huì)在河上滑冰，除非河水從下到上完全結(jié)冰順便說(shuō)一下，水的均勻成核溫度約為232 K也就是說(shuō)，水在0℃結(jié)冰的現(xiàn)象，是因?yàn)樗K了，是因?yàn)樗推渌镔|(zhì)接觸了，或者是因?yàn)樗募绷擞行K的水固相，結(jié)晶不那么好，有霜，雪，霧凇，冰雹，軟冰雹，雨夾雪等等其中，雪是最美的，漢語(yǔ)里有雪花的說(shuō)法紛飛的雪花引發(fā)了多少人的遐想

圖一地表常見場(chǎng)景:水，固，液，氣三相在小范圍內(nèi)共存

一般來(lái)說(shuō)，雪花呈片狀，毫米大小，肉眼可見雪花的一個(gè)特點(diǎn)就是不同的雪花一般都是六邊形的中國(guó)西漢時(shí)期，韓嬰在《漢詩(shī)列傳》中說(shuō)草木五花，而雪花只有六片這句話前半句是錯(cuò)的，后半句是對(duì)的后來(lái)文獻(xiàn)中有很多關(guān)于六片雪花的說(shuō)法，但是關(guān)于六片雪花的說(shuō)法其實(shí)是模糊的六出，到底什么是六出法進(jìn)一步，我們可以問(wèn)，為什么

德國(guó)科學(xué)家開普勒最早記錄了對(duì)雪花形狀和形成機(jī)制的研究他給我們留下了行星運(yùn)動(dòng)三定律，因?yàn)樗Q我比你們?nèi)祟悆?yōu)秀，而被視為窺探上帝奧秘的間諜早在1611年，開普勒就出版了一本24頁(yè)的小冊(cè)子《六邊形》，試圖用小球的堆積模型解釋雪花的六邊形外觀當(dāng)然，小球的堆積不足以解釋雪花的六邊形外觀但開普勒的書，用球堆積模型，開了理解物質(zhì)，尤其是晶體的原子結(jié)構(gòu)的先河可以說(shuō)開普勒的研究播下了結(jié)晶學(xué)的種子——原始晶體的幾何形狀可以用小球的堆積來(lái)解釋此外，開普勒的研究提出了一個(gè)重要的數(shù)學(xué)問(wèn)題，今天稱之為開普勒猜想，即六邊形密排是全同球的最密排法對(duì)開普勒結(jié)晶學(xué)的影響如此之大，以至于在1981年，有人寫了一篇經(jīng)典論文《五角雪花》)1984年，五次對(duì)稱準(zhǔn)晶被發(fā)現(xiàn)

圖2開普勒的書六角雪花及其球堆積模型。

要了解雪花的形狀和形成機(jī)理，一個(gè)先決條件就是要知道雪花到底是什么樣子的可是，即使在寒冷的中國(guó)北方，也很難觀察和記錄雪花的形狀，雪花非常小，融化很快所以，雖然老祖宗的文獻(xiàn)里有六片雪花出來(lái)的說(shuō)法，但是很難和別人交流雪花是什么樣子的要說(shuō)雪花，首先要拍雪花的照片人們認(rèn)為第一張張雪華照片是由約翰·海因里希·路德維希·福格爾(1834—1918)于1879年拍攝的(圖3)

圖3。青蛙在1879年拍攝的雪花照片

美國(guó)人的賓利就是把拍雪花當(dāng)事業(yè)認(rèn)真對(duì)待的那種(圖4)本特利1865年出生于美國(guó)佛蒙特州杰里科，這里是著名的雪帶，年降雪量達(dá)300cm15歲時(shí)，本特利收到了母親的生日禮物——一臺(tái)小型顯微鏡，這是一個(gè)普通的家庭溫暖的舉動(dòng)，卻成就了科學(xué)史上的一件大事本特利喜歡攝影，家鄉(xiāng)經(jīng)常出現(xiàn)的大雪激發(fā)了他強(qiáng)烈的好奇心不知道從什么時(shí)候起，他有了一種迫切的愿望，想拍一張雪花的照片1885年，19歲的Bentley將一臺(tái)顯微鏡連接到照相機(jī)上，并于1月15日獲得了他的第一張張雪華照片(圖5)顯然，賓利的這張雪花照比青蛙之前的照片質(zhì)量要高很多本特利拍攝雪花照片的意義之一在于，他開創(chuàng)了顯微攝影技術(shù)，這種技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了今天分辨原子圖像的能力，極大地推動(dòng)了現(xiàn)代科技的發(fā)展

4.美國(guó)農(nóng)民兼攝影師本特利正在拍攝雪花照片。

圖5本特利拍攝的第一張張雪華照片

贏得第一張張雪華照片讓本特利更加著迷于拍攝雪花人們經(jīng)常看到賓利站在風(fēng)雪中，用羽毛或法蘭絨拾起飄落的雪花，小心翼翼地將樣品放在同樣放置在室外的攝像顯微鏡下賓利已經(jīng)獲得了5000多張雪花照片，在這個(gè)過(guò)程中，賓利完善了雪花攝影技術(shù)本特利拍攝雪花的第二個(gè)意義在于，它引起了人們研究雪花的興趣他在1931年出版的《雪晶》一書中，展示了2500多張帶有蕾絲設(shè)計(jì)的雪花照片其中，六邊形對(duì)稱但韻味各異的雪花照片著實(shí)讓人著迷(圖6)

6.本特利的書《雪晶》和他拍攝的不同形狀的雪花。

本特利從他的攝影中注意到，雖然雪花通常是六邊形的，但他從未拍攝過(guò)兩個(gè)相同的雪花——每一片雪花都是獨(dú)一無(wú)二的每片雪花都不一樣的說(shuō)法，未必能說(shuō)服所有人畢竟拍到的雪花數(shù)量非常有限，不一樣的定義也很模糊但雪花在保持六邊形對(duì)稱的前提下，卻能呈現(xiàn)出如此多已知的不同形態(tài)，這是不可思議的本特利動(dòng)情地寫道:在顯微鏡下，我發(fā)現(xiàn)雪花美得驚人如果這種美不能被別人看到和分享，那就太可惜了每一顆水晶都是杰出的設(shè)計(jì)作品，沒(méi)有一顆是重復(fù)的一旦雪花融化，這個(gè)設(shè)計(jì)將永遠(yuǎn)消失試想地球上落了多少雪花，記錄下來(lái)的只有幾片真可惜

為了讓大家對(duì)雪花的美麗和多樣性有更直觀的認(rèn)識(shí)，不妨多補(bǔ)充一些現(xiàn)代攝影技術(shù)獲得的雪花照片如果覺(jué)得不夠，請(qǐng)用雪花，雪花，雪花水晶等詞搜索

圖7。用現(xiàn)代技術(shù)拍攝的雪花照片

現(xiàn)在讓我們看看六片雪花是什么意思雪花是中心對(duì)稱的，并且總是由六個(gè)相同的分支組成，它們是左右對(duì)稱的用科學(xué)術(shù)語(yǔ)來(lái)說(shuō)，雪花具有D6對(duì)稱性可是，這一顯著特征可能足以描述ZnO等材料的微晶——它幾乎不能改變?nèi)魏螆D案，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以描述雪花雪花總是能變化出新的圖案，但保持整體近似D6對(duì)稱為什么拋開雪花是水固體這個(gè)實(shí)質(zhì)性的問(wèn)題，即使我們從數(shù)學(xué)的角度構(gòu)造雪花圖案，也就是保持D6對(duì)稱性的不同圖案，你也會(huì)發(fā)現(xiàn)人的想象力是非常有限的與自然界中的現(xiàn)實(shí)相比，人的想象力太蒼白了

雪花的形成過(guò)程和形態(tài)至今仍是困擾科學(xué)家的前沿課題有了更清晰更漂亮的雪花照片，我以為可以更深入地了解雪花的形成過(guò)程，結(jié)果卻對(duì)雪花生長(zhǎng)的原子過(guò)程和熱力學(xué)更加困惑現(xiàn)在已經(jīng)證實(shí)，雪花在溫度和水汽過(guò)飽和度這兩個(gè)變量形成的平面的不同區(qū)域，一般具有相同的獨(dú)特形狀，但在相距較遠(yuǎn)的不同區(qū)域，會(huì)表現(xiàn)出不同的形狀要凍結(jié)水，首先要有一些水分子形成一些微米級(jí)的冰核，也就是需要一個(gè)預(yù)成核過(guò)程雪花的形成應(yīng)該包括液滴的成核和生長(zhǎng)兩個(gè)過(guò)程，最后雪花的形狀可以歸為枝晶目前所謂的雪花生長(zhǎng)機(jī)制的結(jié)構(gòu)依賴附著運(yùn)動(dòng)學(xué)模型只是對(duì)以往晶體生長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的改進(jìn)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以回答雪花形態(tài)的問(wèn)題

圖8。溫度—水蒸氣過(guò)飽和平面內(nèi)雪晶形態(tài)相圖

9.蜂巢六邊形格子布局是大自然的最愛

說(shuō)了半天，雪花為什么那么迷人，也沒(méi)有令人信服的答案，但是每一片雪花都是獨(dú)一無(wú)二的不要責(zé)怪科學(xué)家科學(xué)家真正理解的問(wèn)題很少——科學(xué)家自己也很著急最后，作為安慰，給你一個(gè)拍雪花的提示拍雪花最害怕的就是雪花還沒(méi)拍好就融化了為了拍攝美麗的雪花，請(qǐng)選擇導(dǎo)熱性差且足夠涼爽的毛衣，絲綢和布料來(lái)拍攝雪花在室外寒冷的地方拍攝，用幾倍的放大倍數(shù)進(jìn)行微距拍攝當(dāng)然，融化的雪花也很美作為一個(gè)逆問(wèn)題，也許雪花的融化過(guò)程會(huì)給我們一些關(guān)于雪花形成機(jī)制的啟示

圖10開始融化的雪花

給…作注解

曹則賢，《一個(gè)心靈非凡》，外語(yǔ)教學(xué)與研究出版社(2016)。

菲利普·鮑爾，關(guān)于六角雪花，自然480，455(2011)。

Kenneth G. Libbrecht，《雪晶物理學(xué)》，物理學(xué)進(jìn)展報(bào)告68，855(2005)。

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