雪落時，為什麼每一片雪花都不一樣？

知識 01-03

作者：Rebecca Boyle

翻譯：Nuor

審校：xux

雪花生長

雪花晶體主要有兩種形態。雪花物理學的「教皇」有個新的理論來解釋其中的原因。

肯尼斯·利波瑞特（Kenneth Libbrecht）是一個奇特的人：在冬季冬意正濃的時候，他會離開南加州，前往阿拉斯加的費爾班克斯，因為那裡的溫度基本都在零度以下。他會穿上派克大衣，拿上相機和一塊泡沫板來到荒原上，靜靜地等待雪的來臨。

確切地來說，他在尋找自然界中最為閃亮，形狀最標準，最美麗的雪花晶體。他說，最優質的雪花往往在最寒冷的地方產生，比如說在費爾班克斯和白雪皚皚的紐約州北部。他找到的最好的雪花是在安大略（Ontario）省東北偏遠地區的科克倫（Cochrane）（譯者註：加拿大東部），在那裡，雪花掉落的時候很少有風的干擾。

沉浸於自然中的時候，利波瑞特有可以與考古學家媲美的耐心，不斷觀察著落在板子上的雪花，尋找著最完美的雪花和其他雪晶。他說：「如果真的有很好的雪花，你會留意到。反之，掃落這批雪花，繼續等待和尋找」。

利波瑞特是物理學家，他在加利福尼亞理工學院的實驗室研究了太陽的內部結構，開發了用於引力波檢測的儀器。但是，近二十年來，利波瑞特的興趣一直在雪花上，不僅僅是雪花的外觀，還有其成形的起因。「雪花從空中下落時的形成過程令人困惑，其難點在於『為什麼要形成那樣的形狀』，這一點難住了我。」

肯尼斯·利波瑞特，加利福尼亞理工學院的物理學家。2006年攝於安大略省科克倫市。當成形優良的雪晶降落在泡沫芯板上時，他用一把小顏料刷將其撿起，放在玻璃載玻片上，並將其放在顯微鏡下進行進一步檢查。

近 75 年以來，物理學家已經知道雪中微小的結晶主要可以分為兩類。一種是標誌性的平面星形，有 6 或 12 個點，每個點都裝飾著與之相匹配的花邊分支。其可能性之多令人眼花繚亂。另一種是圓柱，有時被扁平的蓋子夾在中間，有時像五金店的螺栓。不同的溫度和濕度下會出現不同的形狀，但其形成原因一直是個謎。

經過利波瑞特多年來的辛苦觀察，他對雪的結晶過程逐漸有了深刻的理解。法國魯昂大學（University of Rouen）同時研究雪晶的材料科學家吉爾斯·德曼奇（Gilles Demange）評價道：「他是這一領域當之無愧的教皇。」

現在，利波瑞特提出了一個關於雪花結晶的新模型，這個模型試圖解釋雪花結晶的原因和其他雪晶形成的方式。在他10月份發表的一篇論文中，他詳細描述了水分子在冰點附近的運動，以及特定的運動方式最終會導致什麼樣的雪花樣式。在另一本540頁的專著中，利波瑞特描述了有關雪晶的全部知識。賴斯大學(Rice University)的凝聚態物理學家道格拉斯·納特爾森（Douglas Natelson）稱這部新專著為「一部力作」。

納特爾森說：「作為一部作品，不得不說，它真的很棒。」

六角星

每個人都知道沒有兩片一樣的雪花，這一事實源於晶體在天空中形成的方式。雪是一團冰晶，在大氣中形成，並在它們下落時保持其形狀。雪花形成於大氣冷到能阻止它們融化變成雨或雨夾雪的時候。

儘管雲中的溫度和濕度是不均勻的，但是在雪花大小的範圍內，這些變數大約都是常數，這就是雪花的生長通常是對稱的原因。另一方面，塔夫茨大學（Tufts University）化學家瑪麗·簡·舒爾茨（Mary Jane Shultz）指出：每片雪花都受到風，日光和其他變數變化的影響。她解釋說，由於每個雪晶都到雲層紊亂的影響，它們的形式都略有不同。

寒冬的混合。不同的雪晶受不同的溫度和濕度的影響而形成。其形狀主要依賴於溫度，而濕度主要影響其成長速度和複雜度。

最早關於雪晶形狀的記載可追溯到公元前135年的中國，中國西漢學者韓嬰在《韓詩外傳?補遺》中記載：「凡草木花多五齣，雪花獨六齣。」第一個探尋雪晶形成原因的科學家可能是德國科學家和博學大師約翰尼斯·開普勒（Johannes Kepler）。

1611年，開普勒向他的贊助者——神聖羅馬皇帝魯道夫二世提供了新年禮物：一篇名為「六角雪花」的文章。開普勒寫道，當他走過布拉格的查理大橋時他注意到衣領上有雪花，他忍不住沉思其幾何結構。「雪花形成六角星狀肯定有原因，不可能是偶然。」

他想起當代英國科學家兼天文學家托馬斯·哈里奧特（Thomas Harriot）的來信，哈里奧特曾擔任探險家沃爾特·羅利爵士（Sir Walter Raleigh）的領航員。1584年左右，哈里奧特（Harriot）在尋求船甲板上堆放炮彈的最有效方法時發現，六角形圖案似乎是將球體緊密堆積在一起的最佳方式，這與開普勒的想法是一致的。開普勒想知道雪花中是否正在發生類似的事情，它們的六個側面是否與「類似水的液體的最小的自然單位」相一致。

片狀雪花的微型結構

這是對原子物理學的一個非凡的早期洞察，一個在未來300年內不會被形式化的洞察。實際上，具有兩個氫和一個氧的水分子往往會鎖在一起形成六邊形陣列。開普勒和他同時代的人尚未意識到其重要性。納特爾森說：「由於氫鍵的存在和分子鍵之間的相互作用，就可以有相對開放的晶體結構。」除了形成雪晶，這種六角形結構還使冰的密度低於液態水，極大地影響了地球化學，地球物理學和氣候。根據納特爾森的說法，如果冰不漂浮，「地球上的生命將是不可能存在的」。

開普勒的論文發表後，雪花觀察仍然是他的一種業餘愛好，而不是一門科學。十九世紀八十年代，一位名叫威爾遜·本特利的美國攝影師——來自佛蒙特州傑里科一個有著高質量雪花的寒冷村莊——開始用照相底片拍攝第一批雪晶圖像。在最終死於肺炎之前，他製作了超過5000張圖片。

日本物理學家中谷由一郎繪製的各種雪花的圖畫，他對不同類型的雪花進行了長達數十年的研究。

在1930年代，日本研究員中谷由一郎（Ukichiro Nakaya）系統地對不同雪晶類型進行研究。到本世紀中葉，中谷開始在實驗室里生產雪花，用兔子的毛將冰霜晶體懸浮在冷凍的空氣中，在那裡它們可以長成成熟的雪花。通過修改濕度和溫度設置，他生長出兩種主要的晶體類型，並開創性地整理了其可能形狀的目錄。中谷由一郎發現，星形的往往在-2°C和-15°C下形成。圓柱形的在-5°C和大約-30°C下形成。在低濕度下，雪晶很少形成分支，類似六角形平面，但在高濕度下，星星能長出更複雜，有更多花邊的圖案。

利波瑞特認為，在中谷由一郎的開創性工作之後，各種晶體形狀的原因也開始引起人們的關注。當邊緣快速生長時，晶體會生長成扁平的星形和平板狀（而不是三維結構）。細長的柱以不同的方式生長，面生長得比較快，邊比較慢。

但是，決定雪晶形狀像星星還是圓柱的微觀過程仍然不是那麼清晰。「隨溫度改變的是什麼？」利波瑞特說，「我一直試圖將所有內容拼湊在一起。」

「雪花食譜」

利波瑞特和研究此問題的研究人員們一直在嘗試提出一種「雪花配方」，即一組方程和參數，它們可以輸入到超級計算機中，然後再產生各種各樣我們看到的雪花。

在了解各種奇異的雪花形式（稱為帶帽柱狀）後，利波瑞特花了二十年來進行這項研究。它看起來像一個空的線軸，或兩個輪子和一個輪軸。作為北達科他州的本地人，他感到震驚，和疑惑：「我從未見過其中任何一種。」他對無盡的雪花形狀著迷，並著手之後出版的一本科普讀物用於解釋它們的性質，並開始為此拍攝圖片。很快，他在實驗室里製作雪花種植設備。他的新模型是幾十年來觀察到的結果，並且在最近開始成形。

他的關鍵突破是一個稱為表面能驅動的分子擴散的想法，該想法描述了雪晶的生長如何取決於初始條件和形成雪晶的分子的行為。

雪花生長。根據雪晶生長的新的模型，微觀晶體成長為高的柱狀結構或者平面需要被稱作表面能驅動的分子擴散機制。

想像一下，當水分子剛剛開始凍結時，其排列鬆散。如果從一個小的觀察台來查看，你會看到冷凍的水分子開始形成一個剛性的晶格，其中每個氧原子周圍有四個氫原子。這些晶體通過將周圍空氣中的水分子摻入其圖案中而生長。它們可以在兩個主要方向上生長：向上或向外生長。

當邊緣的生長速度比晶體的兩個面更快時，會形成薄而扁平的晶體（板狀或星狀）。迅速形成的晶體將向外擴散。但是，當其面的生長快於其邊緣的生長時，晶體的生長會更高，從而形成針狀，空心圓柱或棒狀。

根據利波瑞特的模型，水蒸氣首先沉積在晶體的角上，然後在整個表面上擴散到晶體的邊緣或面上，導致晶體分別向外或向上生長。當存在各種表面效應和不穩定性相互作用時，哪個過程佔主要作用取決於溫度。

所有這些都僅在冰中發生，這種現象稱為「預融化」。由於通常發現冰水溫度接近其熔點，因此最上面的幾層是無序的液體狀。在表面和邊緣上，預融化過程隨溫度的變化而不同，其細節尚未完全明晰。利波瑞特說：「這是整體模型的一部分。」他說整個物理圖像是合理的。

一些柱狀的雪花

他的模型是「半經驗式」的，可以符合一部分觀測的結果，但不足以利用第一性原理推導出最後的結果。無數分子之間的不穩定和相互作用十分複雜，以至於無法完全闡明。但是他希望他的觀點可以成為雪花生長動力學整體模型的基礎，該模型可以通過更詳盡的測量和實驗得到充實。

儘管冰生長機制尚不明晰，但在凝聚態物理中類似的問題還有很多。藥物分子，半導體晶元，太陽能電池以及無數其他應用都涉及到了高質量晶體的生長過程，並有專門的研究人群致力於晶體生長的本質。

在芝加哥伊利諾伊大學工作的米內斯·辛格（Meenesh Singh）就是這樣一位研究員。在最近的一篇論文中，辛格和他的合著者發現了一種新的機制，這種機制可能是溶劑中晶體生長的基礎，而不是利波瑞特的冰和雪的相變結晶。在溶劑結晶中，固體物質溶解在水或其他液體等溶液中。通過調整溫度和添加其他溶劑，可以結晶新的藥物分子或為太陽能電池生產新的晶體，等等。

辛格說：「基本所有晶體生長的應用都是憑經驗處理的。」「擁有某些經驗數據，並使用這些信息試圖解釋晶體的生長方式。」但是他說，目前尚不清楚溶液中的分子如何整合到晶體中。「是什麼真正促使分子做到這一點？為什麼要結晶？如果真正去想的話，你就會開始懷疑，會引發很多問題，而這些問題不會得到解決。」

利波瑞特相信，未來幾年，更好的實驗和更有力的計算機模擬將會回答有關晶體生長的許多問題。他說：「總有一天，你能夠通過建立一個分子，甚至原子模型開始，觀察到這些結晶現象，甚至可以觀察到量子級別的現象。」

當他嘗試解開其中的物理學之謎時，他仍然喜歡雪晶攝影和與之相伴的旅行。但是最近，他一直呆在陽光明媚的南加州，在那裡他為自己的實驗室組裝了一個用於生長雪花的精密系統。現年61歲的他即將退休，這意味著，「我正在拋棄其他工作的束縛。從現在開始，我要去製冰。」

插圖源於：Kenneth Libbrecht

封面源於：Alexey Kljatov

本文經授權轉載自微信公眾號「中科院物理所」，版權歸原作者所有。