感覺全國都在下雪，但你知道雪花的秘密嗎？

最近幾天，全國各地都陸陸續續地迎來了新年的第一場雪。 400年前，在德國也下了一場雪。這場雪催生了世界上第一篇論述雪花的科學論文。科學家開普勒看到漫天飛舞的雪花，寫下了雪花為什麼有六條腿的文章。正如他在論文的首頁上所說「一份給朋友的新年禮物」，以下這篇講述雪花研究史上逸聞趣事的文章，也是我們送給讀者朋友的新春禮物。

本文共3844字

預計閱讀時間：10分鐘

作者 | 劉 暘

01

又是一年聖誕節，窮困潦倒的德國天文學家開普勒徜徉街頭。這位皇家科學家很是沮喪，原因是粗心大意的皇帝魯道夫二世忘記發薪水已經好幾個月。開普勒對朋友真夠意思，儘管兜里沒有一文錢，還是希望送上一份禮物。他仰天長嘆道：「啊，上帝！除了Nothing之外，一個擁有Nothing、收穫Nothing的人還能送什麼呢？」

在17世紀初的這天，上帝真從天堂給他扔下來一個Nothing……

Nothing，英語的意思是「沒什麼東西」，在德語里是Nix，相同的拼寫在拉丁語中意味著「雪花」。開普勒思量著，雪花捧在手裡送去會化，總不好叫朋友從溫暖的壁爐邊跑到冰天雪地來接受這份禮物。科學家別的不會，會寫論文啊！於是開普勒洋洋洒洒來了篇拉丁語論文。

1611年，這篇題為《論六角形雪花》的論文問世。其中提到的問題我們小時候大都問過，那就是雪花為什麼六條腿。由於急著要送出禮物，開普勒沒空花300年時間發明X射線衍射技術。他搖頭晃腦地推測說，六邊形、三角形和正方形是僅有的能緊密排布成一個平面而不留白的形狀（不信你畫畫）。至於雪花為什麼不是三角形和正方形，他說：「你看，人家小蜜蜂的蜂巢都是六邊形。」……問題就這樣被糊弄過去了。

合上論文，他在首頁寫上「一份給朋友的新年禮物」。這份很輕的禮物是名副其實的「情意重」。400年來，每當我們提到雪花研究，都會首推這篇誕生於貧寒與友情的學術論文。

02

完全對稱的六角小精靈，在自由的空氣與狂躁的風中，悠閑地降生

天文學家的觀察畢竟不拘小節。20年後，數學家、哲學家笛卡爾才第一次詳細描述了雪花的外形。和開普勒一樣，這位科學巨人的觀察也僅限於肉眼觀察。不過，他的眼光非比尋常。除了不同形態的六邊形，他還記錄了極其罕見的帶帽冰稜柱和十二面體結構的雪花。

在觀察筆記中，笛卡爾讚歎道：「完美的六邊形啊！邊是如此直，夾角是如此相等，粗手笨腳的人類簡直沒戲……我絕對想像不出來，這些完全對稱的六角小精靈如何在自由的空氣與狂躁的風中悠閑地降生。咦，或許正是風神信手令小精靈在雲朵上下翻飛，並在那裡托住了它們輕盈的身軀；使它們來得及左顧右盼，遵照自然固有秩序的啟蒙，把自己琢磨成六片稜角的模樣？」

時光機繼續運轉，生物學家無處不在。笛卡爾在荷蘭的床上（笛卡爾一生都身體虛弱，所以有一種起居習慣，長篇作品都是在床上寫成的）寫下上述言論不久，英國博物學家羅伯特·虎克（Robert Hooke）便端起親手打磨的顯微鏡，排除萬難，將周遭一切小東西塞到鏡頭下偷看。

在著作《顯微圖譜》的書頁上，讀者看到干樹皮的細胞，小花小草，蒼蠅、跳蚤等生物聚在一起開party時，突然指著一頁驚叫：「咦，這些六片稜角的異類是什麼？」

儘管只是毫不惹眼地點綴在書頁的邊角，這些手繪的雪花圖案意義仍然很大，此乃人類首次具體記錄雪花之形態。

此處略去200多年，因為人類並無什麼大長進，直至1885年……

近代科學，美國通常都會瓜分一份田，這次卻是一位農民，威爾遜·本特利（Wilson Bentley）。這位出生在美國佛蒙特州的農民，從小就特別喜歡雪花。15歲時，他就拿著一台顯微鏡在農舍里觀察雪花。

1885年1月15日的暴風雪中，本特利拍到了第一張雪花的顯微鏡照片。這種「雪花微距照」產生於冰天雪地中一架連了顯微鏡的相機匣子。

後來，他發表文章說：「雖然給雪花拍照是細緻活兒，但並不困難。困難之處就在於，這項工作必須在零下溫度中完成，並且需要身體暴露在嚴寒中。」

此後的數十年中，這位「雪花晶體攝影師」拍下了5000多幅雪花照片，其中每一片都不盡相同。

死神選擇在聖誕前夜，讓這位「雪花人」（the snowflake man）在自家農場踏雪而去，尋找雪花的源頭。

臨行前不久，他說：「雪花是美的奇蹟，人們無法看到並仰慕這種美，是無比遺憾的事。每一片都是絕作，並無備份；一朵晶瑩的雪花消融，一份獨特的設計就將再不為人們所見。美這樣逝去，不留下半點足跡。」

03

誰說人類粗手笨腳的，誰說人類沒戲的？

悲傷的故事講到這裡為止。

讓我們轉動地球儀——上世紀30年代，亞洲人終於在這個故事中登場。日本北海道的中谷宇吉郎（Nakaya Ukichiro）本是位核物理學家。由於沒有核物理研究資源，他只好用「金箍棒打蒼蠅」，結果打得很有成效，因為當地雪花資源豐富。

此人雖然不如上文的本特利能照美人相，但畢竟是科班出身。他沒有選最光鮮最對稱的雪花作為模特，而是全面記錄了各種「雪型」，並進行了系統分類。他發現儘管雪花的形狀千姿百態，卻萬變不離其宗，其中六角形雪片和六稜柱狀雪晶是最基本形態，其他大多是這兩種基本形態的發展、變態或組合。

最為重要的是，笛卡爾的詛咒竟被打破了，誰說人類粗手笨腳的，誰說人類沒戲的？中谷宇吉郎就做了一個給笛卡爾看看。1936年，中谷宇吉郎成功地研製出人造雪——然後又是一個，又是一個，又是一個——都被記錄在著作《來自自然和人工的雪花》之中。

雪花的研究後浪推前浪，如今的雪花人當數美國加州理工學院的肯尼思·利伯布雷赫特(Kenneth Libbrecht)。這位物理學家讓雪花落在一個收集板上，然後仔細觀察，從中找出有趣的樣本。他發現，最完美的雪花晶體往往出現在風力小的小雪天，那時的天氣特別寒冷。為此，他經常到寒冷的北方地區去等待降雪。

除六邊形雪花之外，奇特的三角形雪花是大自然中普遍的雪花結晶形式。為揭開這個謎團，利伯布雷赫特及其合作者在實驗室中模擬與自然降雪相似的條件以製造雪花，同時記錄下各種不同形狀的雪花晶體。

結果發現,其實一些三角形雪花晶體仍然擁有六個邊,之所以看上去是三角形,是因為它們是由三長三短的六條邊構成的。利伯布雷赫特指出，在雪花從天降落的過程中,微小的塵埃顆粒等雜質會造成雪花的某個邊緣產生傾側。在風的作用下，向下傾側的邊緣會生長得更快，從而形成三角形。一旦三角形開始形成，由於三角形的穩定性，雪花在之後繼續下降的過程中,即使再遭遇顛簸碰撞，也會繼續維持這一形態,直至降落地面。

2006年，利伯布雷赫特的雪花照片被做成郵票，飄到世界各地，當然也包括那些永遠不下雪的角落。

如今，連龐大的美國國家航空航天局（NASA）也不放過小小的雪花，他們利用人海戰術讓很多地球人來收集雪花形態。

04

雪花需要自由

八卦說了一大堆，該上科學了。

雪花需要自由：如果你往杯子或者湖裡灌水，然後凍它們，冰就只有順從了杯子和湖的形狀；但是生成於虛無的空間，同樣的物質卻綻放成六片稜角的花，是什麼原因呢？當年如果有X射線晶體衍射，能看到雪花內部去，開普勒就不會困惑。雪花由水分子組成，看了水分子排布的方式就知道。「一沙一世界」，水分子的小單元是六邊形。當水分子以不同速度粘到這個單元的各個表面，最終形成的大雪花便也是六邊形。

如果縱向發展比較快，就形成一根六稜柱的針；如果橫向發展，就成了超級矮胖的六邊形和六角星；如果先縱向發展再橫向發展，就形成了兩邊加蓋兒的稜柱。

至於什麼時候瘦高，什麼時候矮胖，原理並不很清楚。現在我們只知道溫度、濕度都脫不了干係。比如，0攝氏度到-5攝氏度之間會形成盤子一樣的雪片；再低形成針；如果低到-10攝氏度以下，就會重新形成更複雜的盤子。而在同樣的溫度下，濕度低時，雪花形態比較單一；濕度越高則越複雜。

如今，科學家們正在研究可以導致巨型雪花形成的大氣條件，這對氣候研究非常重要。據說，吉尼斯紀錄的最大雪花是在美國蒙大拿州遭遇一次暴雪時出現的。當地一個農場工人表示，這種雪花比牛奶平底鍋還要大，直徑大約有38厘米。遺憾的是，找不到相關證據能夠支持他的說法。

這或許都是符合了哲學家笛卡爾所謂的「自然固有的秩序」。再遙想當年虎克的「藝術作品」，不都能在這幅示意圖中找到原型嗎？

在雪花被作為禮物第一次送出之後400年，我作此文，點擊提交前，末尾寫上：「一份給你們的新春禮物」。

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原標題：《雪花秘史》

原文刊載於 《中國青年報 》（ 2011年02月16日 11 版）

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