雪花是冬日里的精靈,它將世界點(diǎn)綴得富有詩意,猶如童話一般。從古至今,人們都對它不吝贊美。面對著空中飄舞的雪花,有的人卻想得更深更遠(yuǎn):這些似花非花的“精靈”,到底是什么樣子呢?它又有什么秘密呢?
如果雪花也算作花的話,這朵花就很奇特了。它因寒冷而生,原來的模樣只是一個(gè)個(gè)微小的水滴。在自然界,花的種類非常多,從花瓣的數(shù)量來說,有四瓣的,如十字花科的油菜花;有五瓣的,如石竹花;像月季花、玫瑰花、菊花的瓣數(shù)就更多了。那雪花有幾瓣呢?如果你用肉眼來觀察雪花,會發(fā)現(xiàn)它有六瓣。雪花有六瓣古人早已知道,漢代的《韓詩外傳》中就有記載:“草木花多五出,雪花獨(dú)六出?!?/p>
數(shù)出雪花有六個(gè)角很容易,但會有人問,為什么它是六個(gè)角,而不是五個(gè)或者七個(gè)角呢?這個(gè)問題困擾著許多人,包括一些偉大的科學(xué)家,譬如德國天文學(xué)家開普勒。這位偉大的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了行星三大運(yùn)行定律,是天文學(xué)界的劃時(shí)代人物。他對雪花做了一番研究,并寫了一篇題為《論六角形雪花》的論文。在論文里,他推測說,六角形、三角形和正方形是僅有的能緊密排布成一個(gè)平面而不留白的形狀。至于雪花為什么不是三角形和正方形,他說蜜蜂的蜂巢就是六邊形的,所以雪花也是六角形。
現(xiàn)在我們知道,開普勒關(guān)于雪花為什么是六角形的說法是缺乏科學(xué)邏輯的。在他寫這篇論文300年后,人類才有了X射線衍射技術(shù)。通過這種技術(shù),科學(xué)家們找到了答案。
水汽凝華結(jié)晶成的雪花和天然水凍結(jié)成的冰都屬于六方晶系。在參觀博物館的時(shí)候,我們很容易被那純潔透明的石英水晶所吸引。石英水晶和冰晶一樣,都是六方晶系,不過石英水晶是二氧化硅(SiO)的結(jié)晶,冰晶是水(HO)的結(jié)晶罷了。另外,我們吃的食鹽也是晶體,不過它是立方晶體,和冰晶不同。
我們弄清了雪花為什么是六角形之后,問題又來了。是不是所有的雪花都是一個(gè)模樣的呢?有一個(gè)叫萊布尼茨的著名哲學(xué)家說過:“世界上沒有兩片完全相同的樹葉,沒有性格完全相同的兩個(gè)人?!睆恼軐W(xué)層面上說,所有的雪花都是不一樣的。但是,還是有人不相信,他決心去一個(gè)一個(gè)地觀察。
這個(gè)人就是威爾遜·本特利。這位出生在美國佛蒙特州的農(nóng)民,從小就特別喜歡雪花。15歲時(shí),他開始用一臺顯微鏡在農(nóng)舍里觀察雪花。1885年,本特利用一架連接了顯微鏡的相機(jī)拍到了第一張雪花的顯微鏡照片。此后的數(shù)十年中,這位“雪花攝影師”拍下了5000多幅雪花照片,其中每一片雪花都不盡相同。這位癡愛雪花的農(nóng)民辭世前曾說:“雪花是美的奇跡,人們無法看到并仰慕這種美,是無比遺憾的事。每一朵雪花都是絕作,并無備份;一朵晶瑩的雪花消融,一份獨(dú)特的設(shè)計(jì)就將再不為人們所見。美這樣逝去,不留下半點(diǎn)痕跡?!焙髞砀鶕?jù)他的故事,杰奎琳·馬丁創(chuàng)作了繪本《雪花人》?!堆┗ㄈ恕烦錆M了溫情與美麗,它于1999年獲得了美國凱迪克金獎(jiǎng),后來被翻譯成多國文字。
在本特利的時(shí)代,給雪花拍照是個(gè)細(xì)致活兒,但并不十分困難。最主要的難點(diǎn)在于,這項(xiàng)工作必須在零下的溫度中完成,并且需要身體暴露在嚴(yán)寒中。不過隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,給雪花拍照已經(jīng)不是很難的事情了。在最近的一百多年中,全世界出現(xiàn)了許多研究雪花的愛好者,如今最著名的“雪花人”當(dāng)數(shù)美國加州理工學(xué)院的物理學(xué)教授肯尼思·利布雷希特。他拍攝的雪花照片還被做成郵票,傳播到世界各地,包括世界上那些永遠(yuǎn)不下雪的地方。
雪花的形狀千姿百態(tài),人們對這些形狀進(jìn)行了分類,有簡單的,也有復(fù)雜的。最簡單也是大家基本上認(rèn)同的有六種形狀,分別是針形、柱形、盤,形、輪形、樹突形和星形。在這六種形狀中,柱形和盤形是雪花的最基本形態(tài),其他四種是這兩種基本形態(tài)的發(fā)展、變態(tài)或組合。柱形雪花呈六棱柱狀,長而細(xì),也叫柱晶;有時(shí)它的兩端是尖的,樣子像一根針,叫針晶。盤形雪花呈六角形,比較薄,像是從六棱鉛筆上切下來的片晶。在雪花形成過程中,如果縱向發(fā)展比較快,就會形成一根六棱的柱子;如果橫向發(fā)展較快,就成了薄的六邊形;如果先縱向發(fā)展,再橫向發(fā)展,就形成了輪形的雪花。
實(shí)際上,雪花的形狀與溫度、濕度關(guān)系密切,科學(xué)家已經(jīng)能在實(shí)驗(yàn)室中通過控制條件來生成不同形狀的雪花。你看看這張圖,小小的雪花不僅僅美麗,而且還有很多值得研究的物理問題呢!