一片雪花中的科學(xué)與藝術(shù)

雪花是大自然的藝術(shù)品。

冬日的漫天飛雪素來讓人聯(lián)想翩翩。輕盈曼妙的飄雪,似乎總牽動(dòng)所有人憧憬浪漫、自覺嘴角上揚(yáng)。素裹銀妝的世界宛如童話,無論年齡幾何,堆雪人、打雪仗的樂趣從不消散,就連樹梢懶散掛著的一捧雪花都讓人流連。最妙的,還是隨手托起一朵飄落的雪花,欣賞晶瑩的六瓣形態(tài)。

對(duì)雪花的喜愛,多數(shù)人都有。但可比肩肯尼思?利布萊希特的卻極少。

肯尼思?利布萊希特對(duì)雪花熱愛到什么程度呢?

他發(fā)揮自己作為美國加州理工大學(xué)物理系教授的優(yōu)勢(shì),專心研究雪花形成的物理過程,與熱愛雪花的伙伴一起追尋雪花近20年,撰寫了《雪花:冬季的秘密美麗》《雪花的藝術(shù)》《肯尼思野外觀雪指南》等多本書籍。

他對(duì)雪花的熱愛和物理研究的熱情真可以說是融入了生命里,堪稱雪花界的大師。


圖片來自網(wǎng)絡(luò)

最近看到《雪花的答案》,是肯尼思的又一本關(guān)于雪花的科普書籍。

在這本書中,肯尼思不但解釋了雪花形成的過程和科學(xué)原理,講解了雪花的常見形態(tài),展示了170多幅精美的真實(shí)雪花圖片,還教讀者使用常用的簡(jiǎn)易工具制作雪花標(biāo)本。不僅如此,他更把熱愛提升到藝術(shù)的境界,在實(shí)驗(yàn)室中反復(fù)嘗試,去親手制造一朵朵形態(tài)更加完美的雪花,甚至是自然界很難形成的雪花。

如果你對(duì)雪花的奧妙世界有所疑問,肯尼思會(huì)送給你《雪花的答案》。

肯尼思首先為大家澄清了兩個(gè)概念:雪晶和雪花。

雪晶,是一個(gè)科學(xué)概念,指的是單個(gè)的冰晶,其中的水分子都以精確的六角形排列??夏崴际褂醚┚н@個(gè)概念,是為了把相關(guān)物理學(xué)和分子動(dòng)力學(xué)知識(shí)講清楚,做到科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)。后文中柱狀晶、針狀晶等,指的就是雪晶。

雪花則是常用語,可以指單個(gè)雪晶、一簇雪晶或者堆積在一起的很多雪晶。在本文中,除了特定名詞外,會(huì)按照日常習(xí)慣使用雪花來描述。

我們都知道,標(biāo)準(zhǔn)的雪花是有6個(gè)分枝并且對(duì)稱的星形雪花,也就是常說的六瓣雪花。這是由冰晶的結(jié)構(gòu),特別是其中水分子的規(guī)則排列決定的。水分子的精確幾何,讓雪花最終呈現(xiàn)了完美的六重對(duì)稱結(jié)構(gòu)。科學(xué)之美,在一片雪花中展露無遺。


不同形態(tài)的雪花

雪花的形態(tài)很多樣,常見的就有柱狀晶、針狀晶、冠柱晶、雙層板狀晶、星形雪花、星盤雪花、扇形雪花、星形樹枝雪花等。此外,肯尼思還專門介紹了一些特別的雪花。

最小的雪晶稱為鉆石星塵,它的基本形態(tài)是六角形棱柱,大多數(shù)雪花都是由鉆石星塵在下落過程中逐漸長(zhǎng)大形成的。

最大的雪花是星形樹枝雪花,不但有六個(gè)主要分枝,還有側(cè)枝。側(cè)枝長(zhǎng)到非常大時(shí),看起來像蕨類植物的葉子,叫做蕨葉狀星形樹枝雪花,簡(jiǎn)稱蕨葉雪花??夏崴颊f,蕨葉雪花是生長(zhǎng)最快的雪花。


據(jù)稱是作者與觀雪伙伴曾拍到的最大的雪花——一枚蕨葉雪花

別看雪花只有小小一片,卻是經(jīng)過了一系列物理過程、數(shù)學(xué)運(yùn)算和化學(xué)過程綜合作用形成的。一片雪花最終能夠呈現(xiàn)什么圖案,是由雪花下落形成的過程決定的。

溫度和濕度對(duì)雪花形狀的影響非常大,一點(diǎn)細(xì)微的變化或者差異,都會(huì)改變雪花的形態(tài)。所以說“沒有兩片完全一樣的雪花”,自然界中雪花形成的過程復(fù)雜多變,很難存在兩片雪花經(jīng)歷了完全一樣的形成過程。

既然雪花的形成過程如此易受影響,出現(xiàn)一些特殊的形狀也就不足為怪。

比如不對(duì)稱雪花,這是由于雪花各個(gè)部位的生長(zhǎng)條件不盡相同導(dǎo)致的。

還有一種特殊的形態(tài),是十二瓣雪花,這是由兩個(gè)六瓣雪花恰好以交錯(cuò)的角度粘在一起形成的,形態(tài)非常迷人。


不對(duì)稱雪花與 十二瓣雪花

更迷人的是肯尼思在實(shí)驗(yàn)室條件下制造出來的雪花。由于實(shí)驗(yàn)室條件可以嚴(yán)格控制,并且可以根據(jù)需要進(jìn)行細(xì)微的溫濕度調(diào)節(jié),因此所制造出來的雪花可以呈現(xiàn)出更多美感,堪稱藝術(shù)品,肯尼思稱之為專門設(shè)計(jì)的雪花。


肯尼思在實(shí)驗(yàn)室制造的雙胞胎雪花

肯尼思用一本《雪花的答案》,為我們展現(xiàn)了雪花的豐富世界。他講述的知識(shí)讓我們對(duì)雪花有了全面的了解,那些精美的圖片,讓我們能夠近距離欣賞雪花的獨(dú)特魅力,大飽眼福。

若仍覺未能盡興,大可以在下一場(chǎng)大雪來臨之際,也學(xué)肯尼思來一場(chǎng)觀雪之旅,尋找獨(dú)特的雪花形態(tài),嘗試做出自己的雪花標(biāo)本,該是樂趣無窮吧。

2017.11.10霧凇

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