一片雪花中的科學與藝術

雪花是大自然的藝術品。

冬日的漫天飛雪素來讓人聯想翩翩。輕盈曼妙的飄雪,似乎總牽動所有人憧憬浪漫、自覺嘴角上揚。素裹銀妝的世界宛如童話,無論年齡幾何,堆雪人、打雪仗的樂趣從不消散,就連樹梢懶散掛著的一捧雪花都讓人流連。最妙的,還是隨手托起一朵飄落的雪花,欣賞晶瑩的六瓣形態。

對雪花的喜愛,多數人都有。但可比肩肯尼思?利布萊希特的卻極少。

肯尼思?利布萊希特對雪花熱愛到什么程度呢?

他發揮自己作為美國加州理工大學物理系教授的優勢,專心研究雪花形成的物理過程,與熱愛雪花的伙伴一起追尋雪花近20年,撰寫了《雪花:冬季的秘密美麗》《雪花的藝術》《肯尼思野外觀雪指南》等多本書籍。

他對雪花的熱愛和物理研究的熱情真可以說是融入了生命里,堪稱雪花界的大師。


圖片來自網絡

最近看到《雪花的答案》,是肯尼思的又一本關于雪花的科普書籍。

在這本書中,肯尼思不但解釋了雪花形成的過程和科學原理,講解了雪花的常見形態,展示了170多幅精美的真實雪花圖片,還教讀者使用常用的簡易工具制作雪花標本。不僅如此,他更把熱愛提升到藝術的境界,在實驗室中反復嘗試,去親手制造一朵朵形態更加完美的雪花,甚至是自然界很難形成的雪花。

如果你對雪花的奧妙世界有所疑問,肯尼思會送給你《雪花的答案》。

肯尼思首先為大家澄清了兩個概念:雪晶和雪花。

雪晶,是一個科學概念,指的是單個的冰晶,其中的水分子都以精確的六角形排列。肯尼思使用雪晶這個概念,是為了把相關物理學和分子動力學知識講清楚,做到科學嚴謹。后文中柱狀晶、針狀晶等,指的就是雪晶。

雪花則是常用語,可以指單個雪晶、一簇雪晶或者堆積在一起的很多雪晶。在本文中,除了特定名詞外,會按照日常習慣使用雪花來描述。

我們都知道,標準的雪花是有6個分枝并且對稱的星形雪花,也就是常說的六瓣雪花。這是由冰晶的結構,特別是其中水分子的規則排列決定的。水分子的精確幾何,讓雪花最終呈現了完美的六重對稱結構。科學之美,在一片雪花中展露無遺。


不同形態的雪花

雪花的形態很多樣,常見的就有柱狀晶、針狀晶、冠柱晶、雙層板狀晶、星形雪花、星盤雪花、扇形雪花、星形樹枝雪花等。此外,肯尼思還專門介紹了一些特別的雪花。

最小的雪晶稱為鉆石星塵,它的基本形態是六角形棱柱,大多數雪花都是由鉆石星塵在下落過程中逐漸長大形成的。

最大的雪花是星形樹枝雪花,不但有六個主要分枝,還有側枝。側枝長到非常大時,看起來像蕨類植物的葉子,叫做蕨葉狀星形樹枝雪花,簡稱蕨葉雪花。肯尼思說,蕨葉雪花是生長最快的雪花。


據稱是作者與觀雪伙伴曾拍到的最大的雪花——一枚蕨葉雪花

別看雪花只有小小一片,卻是經過了一系列物理過程、數學運算和化學過程綜合作用形成的。一片雪花最終能夠呈現什么圖案,是由雪花下落形成的過程決定的。

溫度和濕度對雪花形狀的影響非常大,一點細微的變化或者差異,都會改變雪花的形態。所以說“沒有兩片完全一樣的雪花”,自然界中雪花形成的過程復雜多變,很難存在兩片雪花經歷了完全一樣的形成過程。

既然雪花的形成過程如此易受影響,出現一些特殊的形狀也就不足為怪。

比如不對稱雪花,這是由于雪花各個部位的生長條件不盡相同導致的。

還有一種特殊的形態,是十二瓣雪花,這是由兩個六瓣雪花恰好以交錯的角度粘在一起形成的,形態非常迷人。


不對稱雪花與 十二瓣雪花

更迷人的是肯尼思在實驗室條件下制造出來的雪花。由于實驗室條件可以嚴格控制,并且可以根據需要進行細微的溫濕度調節,因此所制造出來的雪花可以呈現出更多美感,堪稱藝術品,肯尼思稱之為專門設計的雪花。


肯尼思在實驗室制造的雙胞胎雪花

肯尼思用一本《雪花的答案》,為我們展現了雪花的豐富世界。他講述的知識讓我們對雪花有了全面的了解,那些精美的圖片,讓我們能夠近距離欣賞雪花的獨特魅力,大飽眼福。

若仍覺未能盡興,大可以在下一場大雪來臨之際,也學肯尼思來一場觀雪之旅,尋找獨特的雪花形態,嘗試做出自己的雪花標本,該是樂趣無窮吧。

2017.11.10霧凇

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