雪落时，为什么每一片雪花都不一样？

雪花晶体有两种主要形式。 雪花物理学的“教皇”有一个新的理论来解释其中的原因。

肯尼思利波里特（ ）是个奇怪的人：隆冬时节，他会离开南加州，前往阿拉斯加的费尔班克斯，那里的气温基本在冰点以下。 他会穿上一件派克大衣，带上相机和一块泡沫板，走到荒野里，静静地等待雪的到来。

具体来说，他要寻找自然界中最闪闪发光、形状最标准、最美丽的雪花晶体网。 他说，最好的雪花往往产自最冷的地方，例如费尔班克斯和白雪皑皑的纽约州北部。 他发现的最好的雪花是在安大略省最东北部地区的科克伦，那里几乎没有风来扰乱雪花飘落。

当沉浸在大自然中时，有着堪比考古学家的耐心，不断观察棋盘上飘落的雪花，寻找最完美的雪花和其他雪晶。 “如果真的有很好的雪花，你就会注意到。否则，把雪花扫掉，继续等待和寻找，”他说。

利伯里特是一位物理学家，他在加州理工学院的实验室研究太阳的内部并开发了引力波探测仪器。 但近二十年来，利伯里特一直对雪花感兴趣，不仅关注它们的外观，还关注它们的形状。 “雪花从天而降时是如何形成的，这令人困惑，而困难在于‘它为什么会这样形成’，这让我很困惑。”

肯尼思利伯里特 ( )，加州理工学院物理学家。 2006 年于安大略省科克伦拍摄。当形状良好的雪晶落在泡沫芯上时，他用小画笔将它们拾起，将它们放在载玻片上，并将它们放在显微镜下进行进一步检查。

近 75 年来，物理学家已经知道雪中的微小晶体分为两大类。 其中一种是标志性的扁平星形，有 6 或 12 点，每个点都装饰有配套的蕾丝分支。 可能性令人眼花缭乱。 另一种是圆柱体，有时夹着平盖，有时像五金店的螺栓。 不同的温度和湿度会出现不同的形状，但其形成的原因一直是个谜。

经过多年的艰苦观察，利伯里特逐渐对雪的结晶过程有了深刻的了解。 “他是这个领域无可争议的教皇，”法国鲁昂大学的材料科学家吉勒德曼什（ de ）说，他也研究雪晶。

现在，利伯里特提出了一种新的雪结晶模型，试图解释其他雪晶体形成的原因和方式。 在他十月份发表的一篇论文中，他详细介绍了水分子在冰点附近的运动，以及哪些特定的运动模式最终导致了雪花图案。 在另一本 540 页的专着中， 描述了有关雪晶的所有知识。 莱斯大学的凝聚态物理学家道格拉斯内特尔森称这本新专着是“杰作”。

“作为一部作品，我不得不说，它真的很棒，”内特尔森说。

六角星

每个人都知道没有两片雪花是相同的，这一事实源于晶体在天空中形成的方式。 雪是在大气中形成的大量冰晶，并且在落下时保持其形状。 当大气足够冷以防止雪花融化成雨或雨夹雪时，就会形成雪花。

尽管云中的温度和湿度并不均匀，但这些变量在雪花的大小范围内大致恒定，这就是为什么雪花的生长通常是对称的。 另一方面，塔夫茨大学化学家玛丽简舒尔茨指出，每片雪花都会受到风、阳光和其他变量变化的影响。 她解释说，由于云湍流的影响，每块雪晶的形状都略有不同。

寒冷的混合。 在不同温度和湿度的影响下形成不同的雪晶。 它的形状主要取决于温度，而湿度主要影响它的生长速度和复杂性。

关于雪晶形状的最早记录可以追溯到公元前135年的中国。 我国西汉学者韩英在《汉诗外传?补遗》中记载：“凡草有五朵花，而雪花只有六朵。” 第一个探索雪晶成因的科学家可能是德国科学家兼博学者约翰内斯开普勒 ( )。

1611年，开普勒向他的赞助人神圣罗马帝国皇帝鲁道夫二世赠送了一份新年礼物：一篇名为“六角形雪花”的文章。 开普勒写道，当他走过布拉格的查理大桥时，他注意到衣领上有雪花，忍不住思考它们的几何形状。 “雪花形成六角星一定是有原因的，不可能是偶然的。”

他回忆起当代英国科学家和天文学家托马斯哈里奥特的信件，他曾担任探险家沃尔特罗利爵士的航海家。 1584年左右，哈里奥特在寻求在船的甲板上堆放炮弹的最有效方法时，发现六边形图案似乎是将球体紧密排列在一起的最佳方式，这与开普勒的想法是一致的。 开普勒想知道雪花中是否发生了类似的情况，它们的六个面是否对应于“水状液体的最小自然单位”。

片状雪花的微观结构

这是对原子物理学的一项非凡的早期见解，但在接下来的 300 年内都不会被正式化。 事实上，含有两个氢和一个氧的水分子往往会锁定在一起形成六边形阵列。 开普勒和他的同时代人并没有意识到它的重要性。 “由于氢键的存在以及分子键之间的相互作用，你可以拥有相对开放的晶体结构，”内特尔森说。 除了形成雪晶外，这种六边形结构还使冰的密度低于液态水，极大地影响地球化学、地球物理和气候。 内特尔森表示，如果冰不漂浮，“地球上的生命就不可能存在”。

开普勒的论文发表后，雪花观测仍然是一种业余爱好，而不是一门科学。 1880 年代，来自佛蒙特州杰里科寒冷村庄的美国摄影师威尔逊本特利 ( ) 开始用底片拍摄第一批雪晶图像。 在最终死于肺炎之前，他制作了 5,000 多张图像。

日本物理学家中谷雄一郎绘制的各种雪花，他对不同类型的雪花进行了数十年的研究。

20世纪30年代，日本研究者中谷雄一郎（ ）系统地研究了不同的雪晶类型。 到了本世纪中叶，中谷在实验室里开始制作雪花，用兔毛将霜晶体悬浮在冰冻的空气中，在那里它们可以长成成熟的雪花。 通过修改湿度和温度设置，他生长了两种主要的晶体类型，并创建了它们可能形状的突破性目录。 中谷发现恒星往往在-2C 和-15C 时形成。 圆柱形的在-5C 和-30C 左右形成。 在低湿度下，雪晶很少形成分支的六角形平面，但在高湿度下，星星可以生长出更复杂的花边图案。

利伯里特认为，在中谷的开创性工作之后，各种晶体形状的原因也开始引起人们的关注。 当边缘快速生长时，晶体会生长成扁平的星形和板状（而不是三维结构）。 细长的柱子以不同的方式生长，正面生长得更快，侧面生长得更慢。

但决定雪晶形状是星形还是圆柱体的微观过程仍然不那么清楚。 “温度会发生什么变化？” 利伯里特说道。 “我一直在努力将一切拼凑在一起。”

《雪花食谱》

利伯里特和研究这个问题的研究人员一直在试图提出一个“雪花配方”，这是一组方程和参数，可以输入超级计算机来产生我们所看到的各种雪花。

在了解了各种被称为“帽柱”的奇异雪花形状后，利伯里特花了二十年的时间进行了这项研究。 它看起来像一个空线轴，或者两个轮子和一个轴。 作为北达科他州本地人，他感到震惊和困惑：“我从来没有见过他们。” 他对无尽的雪花形状着迷，开始为后来的出版物解释它们的特性，并开始给它们拍照。 很快，他就在实验室里制作了雪花生长设备。 他的新模型是几十年观察的结果，最近已经开始成形。

他的关键突破是一种称为表面能驱动分子扩散的想法，该想法描述了雪晶的生长如何取决于初始条件和形成雪晶的分子的行为。

雪花长大了。 根据雪晶生长的新模型，微观晶体生长成高柱状结构或平面需要一种称为表面能驱动的分子扩散机制。

想象一下水分子刚开始冻结时的松散排列。 如果你从一个小观察台上观察，你会看到冷冻的水分子开始形成一个刚性的晶格，每个氧原子周围有四个氢原子。 这些晶体通过将周围空气中的水分子融入其图案中而生长。 它们可以向两个主要方向生长：向上或向外。

当边缘生长速度快于晶体的两个面时，就会形成薄而扁平的晶体（板状或星状）。 快速形成的晶体将向外扩散。 然而，当其表面生长速度快于边缘时，晶体就会长得更高，形成针状、空心圆柱体或棒状。

根据利伯雷特模型，水蒸气首先沉积在晶体的角部，然后穿过表面扩散到晶体的边缘或面，分别导致晶体向外或向上生长。 当各种表面效应和不稳定性相互作用时，哪个过程占主导地位取决于温度。

所有这一切都只发生在冰中，这种现象被称为“预融化”。 由于冰水通常在接近其熔点的温度下发现，因此顶部几层是无序液体。 在表面和边缘，预熔化过程随温度变化，其细节尚未完全了解。 “这是整个模型的一部分，”利伯里特说，并表示整体物理图片是合理的。

一些柱状雪花

他的模型是“半经验的”，可以拟合一部分观测到的结果，但仅用第一性原理推导出最终结果还不够。 无数分子之间的不稳定性和相互作用过于复杂，无法完全阐明。 但他希望他的想法能够成为雪花生长动力学整体模型的基础，该模型可以通过更详尽的测量和实验来充实。

尽管冰生长的机制尚不清楚，但凝聚态物理中存在许多类似的问题。 药物分子、半导体芯片、太阳能电池和无数其他应用都涉及高质量晶体的生长，并且有专门的研究人员致力于晶体生长的性质。

米恩斯辛格（Mines Singh）就是这样的一位研究员，他在伊利诺伊大学芝加哥分校工作。 在最近的一篇论文中，辛格和他的合著者发现了一种新机制，该机制可能是利伯里特冰雪相变结晶之外的溶剂中晶体生长的基础。 在溶剂结晶中，将固体物质溶解在溶液（例如水或其他液体）中。 通过调节温度和添加其他溶剂，可以结晶新的药物分子或生产用于太阳能电池的新晶体等。

“基本上晶体生长的所有应用都是凭经验进行的，”辛格网说。 “拥有某些经验数据并利用这些信息来尝试解释晶体是如何生长的。” 但他表示，目前尚不清楚溶液中的分子是如何融入晶体的。 “真正驱动分子这样做的是什么？为什么会结晶？如果你认真思考它，你就会开始怀疑，它会提出很多无法解决的问题。”

相信，在未来几年，更好的实验和更强大的计算机模拟将回答有关晶体生长的许多问题。 “有一天，你将能够从建立分子甚至原子的模型开始，并观察这些结晶现象，甚至是在量子水平上，”他说。

他仍然热爱雪晶摄影和随之而来的旅行，因为他试图解开其背后的物理原理。 但最近，他在阳光明媚的南加州度过了一段时光，在那里他的实验室组装了一套复杂的雪花生长系统。 现年 61 岁的他即将退休，这意味着“我要摆脱其他工作的束缚。从现在开始，我要开始制冰了。”

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