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2019 年 11 月 26 日 星期 放大 缩小 默认  
科普文学

雪花研究小史

刘浪

  一年四季中,最能给人惊喜的是冬天。一夜之间,大地顿变白皑皑一片。漫天飞舞的雪花,宛如阳春三月的柳絮随风而起,姿态优雅。而小小雪花的神奇与奥妙,更是吸引着古今中外的科学家们不懈探究。

  “凡草木花多五出,雪花多六出,其数属阴也。”此句出自西汉韩婴《韩诗外传》(大约成书于公元前135年),被认为是世界上最早记录雪花六边形结构的文字。唐代高骈在《对雪诗》中写道:“六出飞花入户时,坐看青竹变琼枝。”“六出飞花”指的就是雪花。北宋名相韩琦亦称雪花为“六花”,其《咏雪诗》云:“六花来应腊,望雪一开颜。”说的是他见到腊月下雪,深知对农事有利,感到非常欢喜。李时珍在《本草纲目》中,将“腊雪”作为一味药引,并引用了东汉刘熙的注解:“雪,洗也。洗除瘴疠虫蝗也。凡花五出,雪花六出,阴之成数也。”在我国古代,类似的文字记载还有很多。但这些记载,都只讲了雪花是六边形的,而未能作出科学解释。

  西方最早关于雪花的科学著作是1611年出版的《六边形雪花》,作者约翰纳斯·开普勒,即提出著名“开普勒三定律”的德国天文学家。书中,开普勒仔细探究了雪花为何总是呈六角对称,并与植物的六瓣花朵进行比较,试图找出其中关联。他注意到,当把一些球体紧密堆叠在一起时,会形成六边形对称结构。于是,他推测雪花六边形的形成,可能与此相似。他尝试着从原子的角度,去解释雪花的六边形,但囿于当时科学技术和设备,最终没能得出具体的结论。

  法国伟大的哲学家兼数学家勒内·笛卡尔,也被雪花完美的几何结构深深吸引。他感叹道:“人类绝不可能制作出如此精细的东西!”通过观察,他记下了许多详细的笔记,其中包括一些对罕见的冠柱雪晶、十二瓣雪花及星状雪晶的描述。1635年,他在笔记中写道:“我很难想象,在强烈的大风之中,每个晶粒如何准确地长出6个对称的齿轮型。后来我终于意识到,正是风把晶粒带到云层中,每个平面都被6个其他的晶粒包围着,于是晶粒最后不得不长成一种特殊的形状。”笛卡尔的研究,促使人们逐渐意识到,雪花乃大气中的水汽凝华而成,雪花的形态与大气及云层有关。

  17世纪中叶,显微镜的发明,为深入观测研究雪花带来了福音。英国博物学家罗伯特·胡克,他用自己设计制造的显微镜,把所有能拿到显微镜下观看的东西都看了个遍,并一一画下它们的模样。1655年,他把这些观察绘图出版,名为《显微图志》,其中包含很多雪花图绘,并首次揭示了雪花复杂精微的对称结构。罗伯特·胡克为后人开辟了一条崭新道路,如今人们能看到那么多精美的显微雪花,都得益于他的这一伟大创举。

  日本的雪花研究,正是始于显微镜发明之后。江户时代的许多浮世绘作品中,女性服饰上满是各种漂亮的雪花图案。18世纪60年代,日本铜版画先驱司马江汉绘制的一幅显微雪花图,除六瓣雪花和不规则形状的雪花外,还出现了十二瓣雪花和二十四瓣雪花。他认为,雪花并不都是六边形的,其瓣数是以6的倍数出现。多分支雪花(十二瓣、十八瓣、二十四瓣)本身较为罕见,而那个年代能有这样的记录和认识实属珍贵。

  19世纪中叶,照相机诞生了。当所有人都忙着用相机记录眼前生活的时候,美国一位名叫威尔森·本特利的青年,却一门心思琢磨如何拍出雪花的显微照片。他自制了一套独特设备,把照相机与显微镜连接起来。1885年,他成功拍出第一张雪花显微照片。之后,他一共拍摄了5000多张,陆续被发表出来。世人终于得以目睹雪花内部的精巧结构,纷纷感叹道“太不可思议了”。每朵雪花从肉眼看上去规则整齐,长得基本一般模样,但在显微照片中,则变幻纷繁复杂,各有着独具匠心的设计。自此,人们充分认识到,世上没有两片完全相同的雪花。

  真正对雪花晶体系统研究的第一人是日本一位核物理学家,名叫中谷宇吉郎。1932年,他被北海道大学委以教授职位。然而,他任职的地方并无核物理研究设备,反倒时常下雪,于是他决定将研究精力转投在雪花晶体上。经过无数次的尝试和失败,他终于利用兔毛制出人造雪花,比天然雪花还要对称和完美,推翻了笛卡尔“人类绝不可能制作出如此精细的东西”的论断。

  中谷宇吉郎反复实验,让雪花在各种不同温度和湿度中生长。他发现,雪花形态与生长环境密切相关。比如,-2℃时,会形成简单的片状晶体,但-5℃时,则会出现针状晶体。另外,雪花形态的复杂多样性,会随着空气湿度的增大而增大。湿度较低的时候,形态就是最基本的六边形结构。通过对人造雪花的长期研究,中谷宇吉郎绘制出了一张雪花形态图,并详细注明了各种温度和湿度条件下生成的雪花形态。人们可根据平时看到的雪花,对照这张图表,反推出雪花原来的生长环境。因此,有人把雪花比作“来自云端的明信片”,将天上的信息带给我们。

  1954年,中谷宇吉郎出版专著《雪晶:天然的和人造的》,正式提出雪花的系统分类方法,将雪花分为41种形态类别。1966年,日本气象学家孙野长治和李柾雨共同创立了一套更加精细的分类法,将雪花又分成了80种不同类型。有前辈们奠定的坚实基础,日本后来的“雪花人”们,在多分支雪花及其他特殊形态雪花的形成机制等方面,取得了颇为丰富的研究成果。

  我国近几十年来,一直有科学家从事与雪花相关的研究工作,只是因学科限制,尚未进入到社会普通大众的视线。比如,北京年轻的张超、王燕平夫妇,就有“中国的‘雪花人’”之誉。他们于2017年10月,在重庆大学出版社出版《尊贵的雪花》一书,正是为了促使雪花研究这一门世界上最惊艳的冷知识,逐步为公众所知。尤为值得一提的是,该书的结尾,还详细介绍了雪花的两种新潮玩法——并非堆雪人、打雪仗,而是雪花显微摄影和雪花标本制作。

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