雪花到底有多迷人？为什么？

雪是水的小尺度固体形式之一一般来说，雪花是六边形的，具有D6对称性，但每一片雪花都是独一无二的雪花如何在保持D6对称性的同时可以有不同的形状，这一直是一个令人困惑的问题开普勒给出了行星运动三定律，是研究雪花形成机制的第一人，带来了固体的球形密堆积模型

地球不同于其他行星的一个显著特征是，它70%的表面被水覆盖假设地球表面均匀覆盖着水，平均水深可达2700米地球表面的物理条件可以使水的固液气三相共存于一个角落这一特征对于理解地球生命起源和人类创造的物理学具有至关重要的意义记住，水的所有属性都是不正常的，不能想当然就大块冰而言，已知有16种晶相，其中三种比液态水轻谢天谢地，自然界常见的冰，Ih相，比水轻——如果不是这样，你将没有机会在河上滑冰，除非河水从下到上完全结冰顺便说一下，水的均匀成核温度约为232 K也就是说，水在0℃结冰的现象，是因为水脏了，是因为水和其他物质接触了，或者是因为水湍急了有小块的水固相，结晶不那么好，有霜，雪，雾凇，冰雹，软冰雹，雨夹雪等等其中，雪是最美的，汉语里有雪花的说法纷飞的雪花引发了多少人的遐想

图一地表常见场景:水，固，液，气三相在小范围内共存

一般来说，雪花呈片状，毫米大小，肉眼可见雪花的一个特点就是不同的雪花一般都是六边形的中国西汉时期，韩婴在《汉诗列传》中说草木五花，而雪花只有六片这句话前半句是错的，后半句是对的后来文献中有很多关于六片雪花的说法，但是关于六片雪花的说法其实是模糊的六出，到底什么是六出法进一步，我们可以问，为什么

德国科学家开普勒最早记录了对雪花形状和形成机制的研究他给我们留下了行星运动三定律，因为他宣称我比你们人类优秀，而被视为窥探上帝奥秘的间谍早在1611年，开普勒就出版了一本24页的小册子《六边形》，试图用小球的堆积模型解释雪花的六边形外观当然，小球的堆积不足以解释雪花的六边形外观但开普勒的书，用球堆积模型，开了理解物质，尤其是晶体的原子结构的先河可以说开普勒的研究播下了结晶学的种子——原始晶体的几何形状可以用小球的堆积来解释此外，开普勒的研究提出了一个重要的数学问题，今天称之为开普勒猜想，即六边形密排是全同球的最密排法对开普勒结晶学的影响如此之大，以至于在1981年，有人写了一篇经典论文《五角雪花》)1984年，五次对称准晶被发现

图2开普勒的书六角雪花及其球堆积模型。

要了解雪花的形状和形成机理，一个先决条件就是要知道雪花到底是什么样子的可是，即使在寒冷的中国北方，也很难观察和记录雪花的形状，雪花非常小，融化很快所以，虽然老祖宗的文献里有六片雪花出来的说法，但是很难和别人交流雪花是什么样子的要说雪花，首先要拍雪花的照片人们认为第一张张雪华照片是由约翰·海因里希·路德维希·福格尔(1834—1918)于1879年拍摄的(图3)

图3。青蛙在1879年拍摄的雪花照片

美国人的宾利就是把拍雪花当事业认真对待的那种(图4)本特利1865年出生于美国佛蒙特州杰里科，这里是著名的雪带，年降雪量达300cm15岁时，本特利收到了母亲的生日礼物——一台小型显微镜，这是一个普通的家庭温暖的举动，却成就了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激发了他强烈的好奇心不知道从什么时候起，他有了一种迫切的愿望，想拍一张雪花的照片1885年，19岁的Bentley将一台显微镜连接到照相机上，并于1月15日获得了他的第一张张雪华照片(图5)显然，宾利的这张雪花照比青蛙之前的照片质量要高很多本特利拍摄雪花照片的意义之一在于，他开创了显微摄影技术，这种技术已经达到了今天分辨原子图像的能力，极大地推动了现代科技的发展

4.美国农民兼摄影师本特利正在拍摄雪花照片。

图5本特利拍摄的第一张张雪华照片

赢得第一张张雪华照片让本特利更加着迷于拍摄雪花人们经常看到宾利站在风雪中，用羽毛或法兰绒拾起飘落的雪花，小心翼翼地将样品放在同样放置在室外的摄像显微镜下宾利已经获得了5000多张雪花照片，在这个过程中，宾利完善了雪花摄影技术本特利拍摄雪花的第二个意义在于，它引起了人们研究雪花的兴趣他在1931年出版的《雪晶》一书中，展示了2500多张带有蕾丝设计的雪花照片其中，六边形对称但韵味各异的雪花照片着实让人着迷(图6)

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，但他从未拍摄过两个相同的雪花——每一片雪花都是独一无二的每片雪花都不一样的说法，未必能说服所有人毕竟拍到的雪花数量非常有限，不一样的定义也很模糊但雪花在保持六边形对称的前提下，却能呈现出如此多已知的不同形态，这是不可思议的本特利动情地写道:在显微镜下，我发现雪花美得惊人如果这种美不能被别人看到和分享，那就太可惜了每一颗水晶都是杰出的设计作品，没有一颗是重复的一旦雪花融化，这个设计将永远消失试想地球上落了多少雪花，记录下来的只有几片真可惜

为了让大家对雪花的美丽和多样性有更直观的认识，不妨多补充一些现代摄影技术获得的雪花照片如果觉得不够，请用雪花，雪花，雪花水晶等词搜索

图7。用现代技术拍摄的雪花照片

现在让我们看看六片雪花是什么意思雪花是中心对称的，并且总是由六个相同的分支组成，它们是左右对称的用科学术语来说，雪花具有D6对称性可是，这一显著特征可能足以描述ZnO等材料的微晶——它几乎不能改变任何图案，但远远不足以描述雪花雪花总是能变化出新的图案，但保持整体近似D6对称为什么抛开雪花是水固体这个实质性的问题，即使我们从数学的角度构造雪花图案，也就是保持D6对称性的不同图案，你也会发现人的想象力是非常有限的与自然界中的现实相比，人的想象力太苍白了

雪花的形成过程和形态至今仍是困扰科学家的前沿课题有了更清晰更漂亮的雪花照片，我以为可以更深入地了解雪花的形成过程，结果却对雪花生长的原子过程和热力学更加困惑现在已经证实，雪花在温度和水汽过饱和度这两个变量形成的平面的不同区域，一般具有相同的独特形状，但在相距较远的不同区域，会表现出不同的形状要冻结水，首先要有一些水分子形成一些微米级的冰核，也就是需要一个预成核过程雪花的形成应该包括液滴的成核和生长两个过程，最后雪花的形状可以归为枝晶目前所谓的雪花生长机制的结构依赖附着运动学模型只是对以往晶体生长运动学模型的改进，远远不足以回答雪花形态的问题

图8。温度—水蒸气过饱和平面内雪晶形态相图

9.蜂巢六边形格子布局是大自然的最爱

说了半天，雪花为什么那么迷人，也没有令人信服的答案，但是每一片雪花都是独一无二的不要责怪科学家科学家真正理解的问题很少——科学家自己也很着急最后，作为安慰，给你一个拍雪花的提示拍雪花最害怕的就是雪花还没拍好就融化了为了拍摄美丽的雪花，请选择导热性差且足够凉爽的毛衣，丝绸和布料来拍摄雪花在室外寒冷的地方拍摄，用几倍的放大倍数进行微距拍摄当然，融化的雪花也很美作为一个逆问题，也许雪花的融化过程会给我们一些关于雪花形成机制的启示

图10开始融化的雪花

给…作注解

曹则贤，《一个心灵非凡》，外语教学与研究出版社(2016)。

菲利普·鲍尔，关于六角雪花，自然480，455(2011)。

Kenneth G. Libbrecht，《雪晶物理学》，物理学进展报告68，855(2005)。