6号：《雪花落下》——万程鹏

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“听说世界上没有两片同样的雪花，对于我你是这世上无可替代呀！”在电视剧冰糖炖雪梨的主题曲《雪花落下》中，周深悠扬动情的歌声牵动着多少恋爱中男女的心。那么，这个世界上真的没有两片同样的雪花吗？这个故事要从1885年美国佛蒙特州的一个乡村说起。

这个仅有一千多人口的乡村名叫杰里科，位于美国东北部加拿大边境。到了冬天，大雪便会如期从天空飞洒下来，盖在红磨坊三角形的屋顶上，盖满农场的每一寸土地。这里的雪一下就是好几个月，厚厚的一层能没过腰间。农场的大人们都不喜欢雪，他们只能蜷缩在屋内的炉边无所事事。一位名叫威尔逊·本利特的年轻人生活在这里。他和别人不一样，下雪的日子都是他的节日，这些白色的小家伙们多么神奇啊，它们随风起舞，每时每刻都牵动着他的心。本利特很想知道，它们究竟是什么样子的呢？

在本利特15岁生日的时候，他得到了一台旧显微镜，这可能是他这辈子最想要的生日礼物。他把雪花盛放在载玻片上，虽然过不了多久就升华了，但就在这短暂的时间让他看到了奇迹。“你看！”本利特兴奋地向他的朋友介绍着，“雪花不是一团冰，它们每一个都是漂亮的冰晶，有六个面，而且每一面都能结出像绒毛一样的花丝。”可是，这样的美景稍纵即逝，雪花总会融化，有什么办法可以把它们的姿态保存下来呢？

1885年1月15日，又是一个皑皑白雪的冬天。19岁的本利特显然已经做好了万全准备。他身着黑色大衣，头戴一顶镶着白边的费多拉绅士帽，厚厚的一字胡遮住了整个上嘴唇。他找来一块黑色的绒布铺在托盘上，用来搜集飘落下来的雪花，再用鸡尾的羽毛小心翼翼地将雪花拨到显微镜的玻片上。调整好他自行改装的连接在显微镜上的波纹管相机，将曝光时间设置为8-120秒，然后按下拍摄按钮。噗——，全世界第一张雪花晶体照片诞生了。

“真是美丽的微小奇迹！”拿到雪花照片的本利特兴奋不已。这些冰花晶莹剔透，展开成各种美丽的姿势。它们有的像分叉的树叶，有的像坚硬的螺栓，有的像盛开的花瓣，有的像倔强的小冰棍。很显然，它们都有一个共同特点，这些所有的冰花都呈现六边形的形态。

本利特一生中拍摄了5000多张雪花的图片，他得出了一个震惊了所有人的结论——世界上没有两片相同的雪花。

雪花的形状究竟和什么有关？温度、湿度，还是大气压？如果控制这些条件，能不能人为制造出两片同样的雪花呢？加州理工学院的物理学教授肯尼思·利布莱希特对此也有着浓厚的兴趣。研究晶体生长分子动力学的他，把许多精力都投入到了冰晶的特性研究，尤其是雪花的结构上。在实验室里，他想要尝试制造“孪生雪花”。

一个雪花大约是由1019个水分子构成，这么多分子排列组合的可能性几乎超出了大多数人想象的边界。这些水分子以怎样的速度和模式结晶在一起，取决于其下落时经历的不断变化的温度和湿度[1]。在自然界中，每片雪花都在飘落的过程中形成。在穿越大气层的过程中，它们不停地随风扭曲、摇摆、碰撞，湿度和温度也随时发生着变化。但在实验室里，从冰晶形成的初始条件，到冰晶的“生长”过程都可以严格控制，理论上来说，是可以制造出相同雪花的。然而这一过程并没有想象中那么简单。

首先，要搞清楚外部环境究竟和冰晶的“生长”是怎样的关系。为了找到完美的雪花，利布莱希特离开温暖的南加州，飞往靠近北极圈的城市——阿拉斯加的费尔班克斯。这里的大部分时间的温度都在零度以下，一年中会有8个月降雪。身着防寒大衣的利布莱希特会选择一个平坦的户外，支起搜集雪花的泡模板，擦亮自己的眼镜，像个猎人一样静静地等候雪花的到来。

经过多年的潜心研究，利布莱希特终于弄清楚了雪花形成和周围环境的关系。他提出了一种叫做表面能量驱动的分子扩散模型，由此描述了水分子在特定条件下结成冰花的运动过程。水分子开始时会形成一个个晶格，每个氧原子四周都分别有4个氢原子包围着。由于温度的关系，这些晶格会不断的吸收空气中游离的水分子，横向或者纵向生长。当横向吸收得比较快时，冰晶就长成了花形或盘型，当纵向吸收得比较快时，冰晶就会长成空心柱或者棒形结构。而温度就成了控制雪花是朝横向还是竖向生长的关键因素。

有了这些雪花生长的研究基础，利布莱希特就能够在实验室制作他的“孪生雪花”了。通过对实验环境的精确控制，他不仅仅能让雪花长成相似的样子，还能控制雪花的造型，制作出看起来完美的“孪生雪花”。

但是，即便是“孪生雪花”，也会像同卵双胞胎一样，他们依旧会在生长的过程中变得稍有差异。由于分子数量庞大，它们之间的相互作用力也相当复杂，利布莱希特并不能完全阐述清楚其中的运动关系。在冰晶生长动力学领域，依然有大量的观测和实验等待着更多人去探索。

世界上究竟有没有两片同样的雪花？对于科学的追问与永不放弃的精神终将会让我们找到答案。那时候，我们对自然的了解也将更进一步。

[1] Jon Nelson (September 26, 2008). "Origin of diversity in falling snow". Atmospheric Chemistry and Physics. 8 (18): 5669–5682.