雪是水的小尺度固體形式之一一般來說，雪花是六邊形的，具有D6對稱性，但每一片雪花都是獨一無二的雪花如何在保持D6對稱性的同時可以有不同的形狀，這一直是一個令人困惑的問題開普勒給出了行星運動三定律，是研究雪花形成機制的第一人，帶來了固體的球形密堆積模型

地球不同于其他行星的一個顯著特征是，它70%的表面被水覆蓋假設地球表面均勻覆蓋著水，平均水深可達2700米地球表面的物理條件可以使水的固液氣三相共存于一個角落這一特征對于理解地球生命起源和人類創造的物理學具有至關重要的意義記住，水的所有屬性都是不正常的，不能想當然就大塊冰而言，已知有16種晶相，其中三種比液態水輕謝天謝地，自然界常見的冰，Ih相，比水輕——如果不是這樣，你將沒有機會在河上滑冰，除非河水從下到上完全結冰順便說一下，水的均勻成核溫度約為232 K也就是說，水在0℃結冰的現象，是因為水臟了，是因為水和其他物質接觸了，或者是因為水湍急了有小塊的水固相，結晶不那么好，有霜，雪，霧凇，冰雹，軟冰雹，雨夾雪等等其中，雪是最美的，漢語里有雪花的說法紛飛的雪花引發了多少人的遐想

圖一地表常見場景:水，固，液，氣三相在小范圍內共存

一般來說，雪花呈片狀，毫米大小，肉眼可見雪花的一個特點就是不同的雪花一般都是六邊形的中國西漢時期，韓嬰在《漢詩列傳》中說草木五花，而雪花只有六片這句話前半句是錯的，后半句是對的后來文獻中有很多關于六片雪花的說法，但是關于六片雪花的說法其實是模糊的六出，到底什么是六出法進一步，我們可以問，為什么

德國科學家開普勒最早記錄了對雪花形狀和形成機制的研究他給我們留下了行星運動三定律，因為他宣稱我比你們人類優秀，而被視為窺探上帝奧秘的間諜早在1611年，開普勒就出版了一本24頁的小冊子《六邊形》，試圖用小球的堆積模型解釋雪花的六邊形外觀當然，小球的堆積不足以解釋雪花的六邊形外觀但開普勒的書，用球堆積模型，開了理解物質，尤其是晶體的原子結構的先河可以說開普勒的研究播下了結晶學的種子——原始晶體的幾何形狀可以用小球的堆積來解釋此外，開普勒的研究提出了一個重要的數學問題，今天稱之為開普勒猜想，即六邊形密排是全同球的最密排法對開普勒結晶學的影響如此之大，以至于在1981年，有人寫了一篇經典論文《五角雪花》)1984年，五次對稱準晶被發現

圖2開普勒的書六角雪花及其球堆積模型。

要了解雪花的形狀和形成機理，一個先決條件就是要知道雪花到底是什么樣子的可是，即使在寒冷的中國北方，也很難觀察和記錄雪花的形狀，雪花非常小，融化很快所以，雖然老祖宗的文獻里有六片雪花出來的說法，但是很難和別人交流雪花是什么樣子的要說雪花，首先要拍雪花的照片人們認為第一張張雪華照片是由約翰·海因里希·路德維希·福格爾(1834—1918)于1879年拍攝的(圖3)

圖3。青蛙在1879年拍攝的雪花照片

美國人的賓利就是把拍雪花當事業認真對待的那種(圖4)本特利1865年出生于美國佛蒙特州杰里科，這里是著名的雪帶，年降雪量達300cm15歲時，本特利收到了母親的生日禮物——一臺小型顯微鏡，這是一個普通的家庭溫暖的舉動，卻成就了科學史上的一件大事本特利喜歡攝影，家鄉經常出現的大雪激發了他強烈的好奇心不知道從什么時候起，他有了一種迫切的愿望，想拍一張雪花的照片1885年，19歲的Bentley將一臺顯微鏡連接到照相機上，并于1月15日獲得了他的第一張張雪華照片(圖5)顯然，賓利的這張雪花照比青蛙之前的照片質量要高很多本特利拍攝雪花照片的意義之一在于，他開創了顯微攝影技術，這種技術已經達到了今天分辨原子圖像的能力，極大地推動了現代科技的發展

4.美國農民兼攝影師本特利正在拍攝雪花照片。

圖5本特利拍攝的第一張張雪華照片

贏得第一張張雪華照片讓本特利更加著迷于拍攝雪花人們經常看到賓利站在風雪中，用羽毛或法蘭絨拾起飄落的雪花，小心翼翼地將樣品放在同樣放置在室外的攝像顯微鏡下賓利已經獲得了5000多張雪花照片，在這個過程中，賓利完善了雪花攝影技術本特利拍攝雪花的第二個意義在于，它引起了人們研究雪花的興趣他在1931年出版的《雪晶》一書中，展示了2500多張帶有蕾絲設計的雪花照片其中，六邊形對稱但韻味各異的雪花照片著實讓人著迷(圖6)

6.本特利的書《雪晶》和他拍攝的不同形狀的雪花。

本特利從他的攝影中注意到，雖然雪花通常是六邊形的，但他從未拍攝過兩個相同的雪花——每一片雪花都是獨一無二的每片雪花都不一樣的說法，未必能說服所有人畢竟拍到的雪花數量非常有限，不一樣的定義也很模糊但雪花在保持六邊形對稱的前提下，卻能呈現出如此多已知的不同形態，這是不可思議的本特利動情地寫道:在顯微鏡下，我發現雪花美得驚人如果這種美不能被別人看到和分享，那就太可惜了每一顆水晶都是杰出的設計作品，沒有一顆是重復的一旦雪花融化，這個設計將永遠消失試想地球上落了多少雪花，記錄下來的只有幾片真可惜

為了讓大家對雪花的美麗和多樣性有更直觀的認識，不妨多補充一些現代攝影技術獲得的雪花照片如果覺得不夠，請用雪花，雪花，雪花水晶等詞搜索

圖7。用現代技術拍攝的雪花照片

現在讓我們看看六片雪花是什么意思雪花是中心對稱的，并且總是由六個相同的分支組成，它們是左右對稱的用科學術語來說，雪花具有D6對稱性可是，這一顯著特征可能足以描述ZnO等材料的微晶——它幾乎不能改變任何圖案，但遠遠不足以描述雪花雪花總是能變化出新的圖案，但保持整體近似D6對稱為什么拋開雪花是水固體這個實質性的問題，即使我們從數學的角度構造雪花圖案，也就是保持D6對稱性的不同圖案，你也會發現人的想象力是非常有限的與自然界中的現實相比，人的想象力太蒼白了

雪花的形成過程和形態至今仍是困擾科學家的前沿課題有了更清晰更漂亮的雪花照片，我以為可以更深入地了解雪花的形成過程，結果卻對雪花生長的原子過程和熱力學更加困惑現在已經證實，雪花在溫度和水汽過飽和度這兩個變量形成的平面的不同區域，一般具有相同的獨特形狀，但在相距較遠的不同區域，會表現出不同的形狀要凍結水，首先要有一些水分子形成一些微米級的冰核，也就是需要一個預成核過程雪花的形成應該包括液滴的成核和生長兩個過程，最后雪花的形狀可以歸為枝晶目前所謂的雪花生長機制的結構依賴附著運動學模型只是對以往晶體生長運動學模型的改進，遠遠不足以回答雪花形態的問題

圖8。溫度—水蒸氣過飽和平面內雪晶形態相圖

9.蜂巢六邊形格子布局是大自然的最愛

說了半天，雪花為什么那么迷人，也沒有令人信服的答案，但是每一片雪花都是獨一無二的不要責怪科學家科學家真正理解的問題很少——科學家自己也很著急最后，作為安慰，給你一個拍雪花的提示拍雪花最害怕的就是雪花還沒拍好就融化了為了拍攝美麗的雪花，請選擇導熱性差且足夠涼爽的毛衣，絲綢和布料來拍攝雪花在室外寒冷的地方拍攝，用幾倍的放大倍數進行微距拍攝當然，融化的雪花也很美作為一個逆問題，也許雪花的融化過程會給我們一些關于雪花形成機制的啟示

圖10開始融化的雪花

給…作注解

曹則賢，《一個心靈非凡》，外語教學與研究出版社(2016)。

菲利普·鮑爾，關于六角雪花，自然480，455(2011)。

Kenneth G. Libbrecht，《雪晶物理學》，物理學進展報告68，855(2005)。

鄭重聲明：此文內容為本網站轉載企業宣傳資訊，目的在于傳播更多信息，與本站立場無關。僅供讀者參考，并請自行核實相關內容。