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雪花到底有多迷人？为什么？

发布于：2024-06-28 编辑：匿名来源：网络

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本文来自微信公众号“回归本源”（饭铺）作者：曹则贤（中国科学院物理研究所）雪是水的小尺度固体形式之一。

雪花一般是六边形，具有 D6 对称性，但每片雪花都是独一无二的。

雪花如何在保持 D6 对称性的同时拥有不同的形状一直是一个令人困惑的问题。

研究雪花形成机理的第一人，给出行星运动三定律的开普勒，带来了固体的球形密堆积模型。

地球与其他行星不同的一个显着特征是其表面70%被水覆盖。

假设整个地球表面均匀地被水覆盖，那么平均水深将达到数米。

地球表面的物理条件允许水的固、液、气三相共存于一个角落（也就是说，地球表面的温度和气压条件正好在水的三相点附近！）。

这一特征对于了解地球非常重要。

生命的起源和理解人类创造的物理学具有无与伦比的意义（图 1）。

请记住，水的所有属性都是反常的，无法用常识来衡量。

至于水的固相，就大块冰而言，已知有16种晶相，其中三种实际上比液态水轻。

值得庆幸的是，Ih相的天然冰比水轻——否则，你就没有机会在河上滑冰，除非它从下到上完全冻结。

顺便说一下，水的均质成核温度约为 K（负 41°C）。

换句话说，你看到的水在0°C结冰的现象是因为水脏了，或者是与其他物质接触了，或者是因为水发生了湍流。

水的固相也有结晶不太好的小块，包括霜（雾凇）、雪、雾凇、冰雹（冰雹）、软雹（霰）、雨夹雪（雨夹雪）等。

其中，雪是最美，中国有一个雪花词。

纷飞的雪花，是否引发了很多人的遐想？图1 地球表面常见场景：小范围内水的固、液、气三相共存。

雪花一般呈片状，毫米大小，肉眼可见。

雪花的一个特点是，不同的雪花一般都是六角形的。

我国西汉时期，韩英在《韩诗外传》中曾说过：“一草一木，花五朵，而雪花却是六朵。

”这句话前半句是错误的，但后半句是正确的。

在后来的文献中，有很多说法是雪花六次出来，但六次郊游的想法其实很模糊。

六出，到底是一种什么样的六出法呢？进一步我们可以问，为什么？最早有记录研究雪花形状和形成机制的人是德国科学家约翰内斯·开普勒，他给我们留下了行星运动三大定律，并被视为一窥上帝的奥秘，因为他宣称：“我更好比你们人类。

”早在2000年，开普勒就出版了一本24页的小册子《六角雪花》（de nive sexangula）（图2），试图用小球的堆积模型来解释雪花的六边形形态。

小球的堆积当然不足以解释雪花的六边形形态。

然而，开普勒的书开创性地使用球积累模型来理解物质，特别是晶体的原子结构。

可以说，开普勒的研究播下了晶体学的种子——事实证明晶体的几何形状可以通过小球的堆积来解释。

另外，开普勒的研究提出了一个重要的数学问题，今天被称为开普勒猜想，即对于相同的球，六方密堆积是最密的堆积方法。

开普勒对晶体学的影响如此之大，以至于2010年有人仿照“六角雪花”写了一篇经典论文“五格雪花”（Alan L. Mackay, De Nive Quinquangula, Krystallografiya, Vol. 26, ()）。

2000年，发现了具有五重对称性的准晶体。

图2 开普勒的书《六角雪花》以及其中的积球模型。

要了解雪花的形状及其形成机制，先决条件是知道雪花是什么样子。

然而，即使在寒冷的中国北方，观察和记录雪花的形状也很困难。

雪花非常小（毫米大小）并且融化得很快。

因此，虽然我们祖先的文献中有“雪花六次出现”的说法，但很难与别人交流雪花是什么样子。

如果你想谈论雪花，你首先必须画雪花并拍照。

据信，第一张雪花照片是由德国人 Johann Heinrich Ludwig Fl?gel 在 2000 年拍摄的（图 3）。

图3. Frog 2001年拍摄的雪花照片。

唯一认真把拍摄雪花作为职业的人是美国人Wilson Alwyn Bentley（图4）。

宾利诞生于美国佛蒙特州杰里科小镇，这里是著名的雪带，年降雪量高达3厘米。

15 岁时，本特利收到了母亲送给他的一台小型显微镜作为生日礼物。

这个普通的家庭举动竟然成为科学史上的一件大事。

本特利喜欢摄影，家乡经常出现的大雪引起了他强烈的好奇心。

在某个时刻，他强烈渴望给雪花拍一张照片。

2001年，19岁的本特利在相机上安装了显微镜，并于1月15日获得了他的第一张雪花照片（图5）。

显然，Bentley 的雪花照片比 Frog 之前的照片质量要高得多。

本特利的雪花照片的意义之一是他开辟了显微摄影技术。

显微照相技术的发展已达到分辨原子图像的水平，极大地推动了现代科学技术的发展。

图 4. 美国农民兼摄影师本特利正在拍摄雪花照片。

图 5. Bentley 的第一张雪花照片。

成功获得第一张雪花照片，让本特利对拍摄雪花照片更加着迷。

人们经常看到本特利站在风雪中，用羽毛或法兰绒捕捉飘落的雪花，小心地将样本放在同样放置在室外的相机显微镜的镜头下。

本特利获得了许多雪花照片，在此过程中本特利完善了他的雪花摄影技术。

本特利雪花照片的第二个意义是激发了人们研究雪花的兴趣。

在2011年出版的《雪晶》（雪晶）》一书中，他展示了几张带有蕾丝图案的雪花照片。

总是六边形对称、风格各异的雪花照片着实让人着迷（图6）。

图 6. 本特利的书《雪晶》和他拍摄的不同形状的雪花。

本特利从他的摄影中注意到，虽然雪花通常是六边形的，但他从未拍摄过两片相同的雪花——每一片雪花都是独一无二的。

每片雪花都不同的想法可能无法说服所有人。

毕竟，拍摄到的雪花数量非常有限，“不同”的定义也很模糊。