感觉全国都在下雪,但你知道雪花的秘密吗?

2018-01-07  智者文馆


最近几天,全国各地都陆陆续续地迎来了新年的第一场雪。 400年前,在德国也下了一场雪。这场雪催生了世界上第一篇论述雪花的科学论文。科学家开普勒看到漫天飞舞的雪花,写下了雪花为什么有六条腿的文章。正如他在论文的首页上所说“一份给朋友的新年礼物”,以下这篇讲述雪花研究史上逸闻趣事的文章,也是我们送给读者朋友的新春礼物。


本文共3844字 

预计阅读时间:10分钟


作者 | 刘  旸



 01 

又是一年圣诞节,穷困潦倒的德国天文学家开普勒徜徉街头。这位皇家科学家很是沮丧,原因是粗心大意的皇帝鲁道夫二世忘记发薪水已经好几个月。开普勒对朋友真够意思,尽管兜里没有一文钱,还是希望送上一份礼物。他仰天长叹道:“啊,上帝!除了Nothing之外,一个拥有Nothing、收获Nothing的人还能送什么呢?”

在17世纪初的这天,上帝真从天堂给他扔下来一个Nothing……

Nothing,英语的意思是“没什么东西”,在德语里是Nix,相同的拼写在拉丁语中意味着“雪花”。开普勒思量着,雪花捧在手里送去会化,总不好叫朋友从温暖的壁炉边跑到冰天雪地来接受这份礼物。科学家别的不会,会写论文啊!于是开普勒洋洋洒洒来了篇拉丁语论文。

1611年,这篇题为《论六角形雪花》的论文问世。其中提到的问题我们小时候大都问过,那就是雪花为什么六条腿。由于急着要送出礼物,开普勒没空花300年时间发明X射线衍射技术。他摇头晃脑地推测说,六边形、三角形和正方形是仅有的能紧密排布成一个平面而不留白的形状(不信你画画)。至于雪花为什么不是三角形和正方形,他说:“你看,人家小蜜蜂的蜂巢都是六边形。”……问题就这样被糊弄过去了。

合上论文,他在首页写上“一份给朋友的新年礼物”。这份很轻的礼物是名副其实的“情意重”。400年来,每当我们提到雪花研究,都会首推这篇诞生于贫寒与友情的学术论文。


 02 

完全对称的六角小精灵,在自由的空气与狂躁的风中,悠闲地降生

天文学家的观察毕竟不拘小节。20年后,数学家、哲学家笛卡尔才第一次详细描述了雪花的外形。和开普勒一样,这位科学巨人的观察也仅限于肉眼观察。不过,他的眼光非比寻常。除了不同形态的六边形,他还记录了极其罕见的带帽冰棱柱和十二面体结构的雪花。

在观察笔记中,笛卡尔赞叹道:“完美的六边形啊!边是如此直,夹角是如此相等,粗手笨脚的人类简直没戏……我绝对想象不出来,这些完全对称的六角小精灵如何在自由的空气与狂躁的风中悠闲地降生。咦,或许正是风神信手令小精灵在云朵上下翻飞,并在那里托住了它们轻盈的身躯;使它们来得及左顾右盼,遵照自然固有秩序的启蒙,把自己琢磨成六片棱角的模样?”

时光机继续运转,生物学家无处不在。笛卡尔在荷兰的床上(笛卡尔一生都身体虚弱,所以有一种起居习惯,长篇作品都是在床上写成的)写下上述言论不久,英国博物学家罗伯特·虎克(Robert Hooke)便端起亲手打磨的显微镜,排除万难,将周遭一切小东西塞到镜头下偷看。

在著作《显微图谱》的书页上,读者看到干树皮的细胞,小花小草,苍蝇、跳蚤等生物聚在一起开party时,突然指着一页惊叫:“咦,这些六片棱角的异类是什么?”

尽管只是毫不惹眼地点缀在书页的边角,这些手绘的雪花图案意义仍然很大,此乃人类首次具体记录雪花之形态。

此处略去200多年,因为人类并无什么大长进,直至1885年……

近代科学,美国通常都会瓜分一份田,这次却是一位农民,威尔逊·本特利(Wilson Bentley)。这位出生在美国佛蒙特州的农民,从小就特别喜欢雪花。15岁时,他就拿着一台显微镜在农舍里观察雪花。

1885年1月15日的暴风雪中,本特利拍到了第一张雪花的显微镜照片。这种“雪花微距照”产生于冰天雪地中一架连了显微镜的相机匣子。

后来,他发表文章说:“虽然给雪花拍照是细致活儿,但并不困难。困难之处就在于,这项工作必须在零下温度中完成,并且需要身体暴露在严寒中。”

此后的数十年中,这位“雪花晶体摄影师”拍下了5000多幅雪花照片,其中每一片都不尽相同。

死神选择在圣诞前夜,让这位“雪花人”(the snowflake man)在自家农场踏雪而去,寻找雪花的源头。

临行前不久,他说:“雪花是美的奇迹,人们无法看到并仰慕这种美,是无比遗憾的事。每一片都是绝作,并无备份;一朵晶莹的雪花消融,一份独特的设计就将再不为人们所见。美这样逝去,不留下半点足迹。” 


 03 

谁说人类粗手笨脚的,谁说人类没戏的?

悲伤的故事讲到这里为止。

让我们转动地球仪——上世纪30年代,亚洲人终于在这个故事中登场。日本北海道的中谷宇吉郎(Nakaya Ukichiro)本是位核物理学家。由于没有核物理研究资源,他只好用“金箍棒打苍蝇”,结果打得很有成效,因为当地雪花资源丰富。

此人虽然不如上文的本特利能照美人相,但毕竟是科班出身。他没有选最光鲜最对称的雪花作为模特,而是全面记录了各种“雪型”,并进行了系统分类。他发现尽管雪花的形状千姿百态,却万变不离其宗,其中六角形雪片和六棱柱状雪晶是最基本形态,其他大多是这两种基本形态的发展、变态或组合。

最为重要的是,笛卡尔的诅咒竟被打破了,谁说人类粗手笨脚的,谁说人类没戏的?中谷宇吉郎就做了一个给笛卡尔看看。1936年,中谷宇吉郎成功地研制出人造雪——然后又是一个,又是一个,又是一个——都被记录在著作《来自自然和人工的雪花》之中。

雪花的研究后浪推前浪,如今的雪花人当数美国加州理工学院的肯尼思·利伯布雷赫特(Kenneth Libbrecht)。这位物理学家让雪花落在一个收集板上,然后仔细观察,从中找出有趣的样本。他发现,最完美的雪花晶体往往出现在风力小的小雪天,那时的天气特别寒冷。为此,他经常到寒冷的北方地区去等待降雪。

除六边形雪花之外,奇特的三角形雪花是大自然中普遍的雪花结晶形式。为揭开这个谜团,利伯布雷赫特及其合作者在实验室中模拟与自然降雪相似的条件以制造雪花,同时记录下各种不同形状的雪花晶体。

结果发现,其实一些三角形雪花晶体仍然拥有六个边,之所以看上去是三角形,是因为它们是由三长三短的六条边构成的。利伯布雷赫特指出,在雪花从天降落的过程中,微小的尘埃颗粒等杂质会造成雪花的某个边缘产生倾侧。在风的作用下,向下倾侧的边缘会生长得更快,从而形成三角形。一旦三角形开始形成,由于三角形的稳定性,雪花在之后继续下降的过程中,即使再遭遇颠簸碰撞,也会继续维持这一形态,直至降落地面。

2006年,利伯布雷赫特的雪花照片被做成邮票,飘到世界各地,当然也包括那些永远不下雪的角落。

如今,连庞大的美国国家航空航天局(NASA)也不放过小小的雪花,他们利用人海战术让很多地球人来收集雪花形态。


 04 

雪花需要自由

八卦说了一大堆,该上科学了。

雪花需要自由:如果你往杯子或者湖里灌水,然后冻它们,冰就只有顺从了杯子和湖的形状;但是生成于虚无的空间,同样的物质却绽放成六片棱角的花,是什么原因呢?当年如果有X射线晶体衍射,能看到雪花内部去,开普勒就不会困惑。雪花由水分子组成,看了水分子排布的方式就知道。“一沙一世界”,水分子的小单元是六边形。当水分子以不同速度粘到这个单元的各个表面,最终形成的大雪花便也是六边形。

如果纵向发展比较快,就形成一根六棱柱的针;如果横向发展,就成了超级矮胖的六边形和六角星;如果先纵向发展再横向发展,就形成了两边加盖儿的棱柱。

至于什么时候瘦高,什么时候矮胖,原理并不很清楚。现在我们只知道温度、湿度都脱不了干系。比如,0摄氏度到-5摄氏度之间会形成盘子一样的雪片;再低形成针;如果低到-10摄氏度以下,就会重新形成更复杂的盘子。而在同样的温度下,湿度低时,雪花形态比较单一;湿度越高则越复杂。

如今,科学家们正在研究可以导致巨型雪花形成的大气条件,这对气候研究非常重要。据说,吉尼斯纪录的最大雪花是在美国蒙大拿州遭遇一次暴雪时出现的。当地一个农场工人表示,这种雪花比牛奶平底锅还要大,直径大约有38厘米。遗憾的是,找不到相关证据能够支持他的说法。

这或许都是符合了哲学家笛卡尔所谓的“自然固有的秩序”。再遥想当年虎克的“艺术作品”,不都能在这幅示意图中找到原型吗?

在雪花被作为礼物第一次送出之后400年,我作此文,点击提交前,末尾写上:“一份给你们的新春礼物”。

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原标题:《 雪花秘史

原文刊载于 《中国青年报 》( 2011年02月16日 11 版)


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