雪花的形状之谜

雪花是冬日的精灵,它将世界点缀得富有诗意,犹如童话一般。从古至今,人们都对它不吝赞美。面对着空中飘舞的雪花,有的人却想得更深更远:这些似花非花的精灵,到底是什么样子呢?它又有什么秘密呢?

如果雪花也算作花的话,这朵花就很奇特了。它因寒冷而生,原来的模样只是一个个微小的水滴。在自然界,花的种类非常多,从花瓣的数量来说,有四瓣的,如十字花科的油菜花;有五瓣的,如石竹花;像月季花、玫瑰花、的瓣数就更多了。那雪花有几瓣呢?如果你用肉眼来观察雪花,会发现它有六瓣。雪花有六瓣古人早已知道,汉代的《韩诗外传》中就有记载:“草木花多五出,雪花独六出。”

数出雪花有六个角很容易,但会有人问,为什么它是六个角,而不是五个或者七个角呢?这个问题困扰着许多人,包括一些伟大的科学家,譬如德国天文学家开普勒。这位伟大的科学家发现了行星三大运行定律,是天文学界划时代的人物。他对雪花做了一番研究,并写了一篇题为《论六角形雪花》的论文。在论文里,他推测说,六角形、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。至于雪花为什么不是三角形和正方形,他说蜜蜂的蜂巢就是六边形的,所以雪花也是六角形。

现在我们知道,开普勒关于雪花为什么是六角形的说法是缺乏科学逻辑的。在他写这篇论文300年后,人类才有了X射线衍射技术。通过这种技术,科学家们找到了答案。

水汽凝华结晶成的雪花和天然水冻结成的冰都属于六方晶系。在参观博物馆的时候,我们很容易被那纯洁透明的石英水晶所吸引。石英水晶和冰晶一样,都是六方晶系,不过石英水晶是二氧化硅的结晶,冰晶是水的结晶罢了。另外,我们吃的食盐也是晶体,不过它是立方晶体,和冰晶不同。

我们弄清了雪花为什么是六角形之后,问题又来了:是不是所有的雪花都是一个模样的呢?有一个叫莱布尼茨的著名哲学家说过:“世界上没有两片完全相同的树叶,没有性格完全相同的两个人。”从哲学层面上说,所有的雪花都是不一样的。但是,还是有人不相信,他决心去一个一个地观察。

这个人就是威尔逊・本特利。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,他开始用一台显微镜在农舍里观察雪花。1885年,本特利用一架连接了显微镜的相机拍到了第一张雪花的显微镜照片。此后的数十年中,这位“雪花摄影师”拍下了5000多幅雪花照片,其中每一片雪花都不尽相同。这位痴爱雪花的农民辞世前曾说:“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。每一朵雪花都是绝作,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,不留下半点痕迹。”后来根据他的故事,杰奎琳・马丁创作了绘本《雪花人》。《雪花人》充满了温情与美丽,它于1999年获得了美国凯迪克金奖,后来被翻译成多国文字。

在本特利的时代,给雪花拍照是个细致活儿,但并不十分困难。最主要的难点在于,这项工作必须在零下的温度中完成,并且需要身体暴露在严寒中。不过随着科学技术的进步,给雪花拍照已经不再是很难的事情了。在最近的一百多年中,全世界出现了许多研究雪花的爱好者,如今最著名的“雪花人”当数美国加州理工学院的物理学教授肯尼思・利布雷希特。他拍摄的雪花照片还被做成邮票,传播到世界各地,包括世界上那些永远不下雪的地方。

雪花的形状千姿百态,人们对这些形状进行了分类,有简单的,也有复杂的。最简单也是大家基本上认同的有六种形状,分别是针形、柱形、盘形、轮形、树突形和星形。在这六种形状中,柱形和盘形是雪花的最基本形态,其他四种是这两种基本形态的发展、变态或组合。柱形雪花呈六棱柱状,长而细,也叫柱晶;有时它的两端是尖的,样子像一根针,叫针晶。盘形雪花呈六角形,比较薄,像是从六棱铅笔上切下来的片晶。在雪花形成过程中,如果纵向发展比较快,就会形成一根六棱的柱子;如果横向发展较快,就成了薄的六边形;如果先纵向发展,再横向发展,就形成了轮形的雪花。

实际上,雪花的形状与温度、湿度关系密切,科学家已经能在实验室中通过控制条件来生成不同形状的雪花。看来,小小的雪花不仅美丽,而且还有很多值得研究的物理问题呢!

(选自《天天爱科学》)

雪花的形状之谜

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