加州理工學院物理學教授肯尼斯‧利布萊希特（Kenneth Libbrecht）過去在實驗室研究太陽的內部結構，並開發出先進的重力波探測儀器。但20多年來，利布萊希特更感興趣的是雪花，他說：「當雪花從天上掉下來的時候，我們不禁好奇，它為什麼是長這個模樣？」

 

　　利布萊希特最近對雪的晶體提出一個新的模型，試圖解釋雪花與其他雪晶體的形成方式。論文裡詳細描述了水分子在接近冰點時的變化，以及這些分子的特殊運動如何在不同環境條件下形成晶體。

 

　　75年來，物理學家已經知道雪中的微小晶體主要分成兩種類型：一種是代表性的平面星形，有6個或12個點，每個點還有成對的分支；另一種是圓柱形，有時頂部是平面或螺栓的形狀。不同的雪花形狀在不同的溫度和濕度下形成，但確切原因始終是個謎。

 

　　我們都知道沒有兩片雪花長一樣，這是由於晶體在天空形成的方式。雪是在大氣中形成的冰晶，並在落至地面時維持自身的形狀。只要大氣足夠寒冷它們就會形成，而不是融化變成雨夾雪（霙）或雨。

 

　　儘管一朵雲含有多種溫度與濕度，但這些變數在一片雪花上是穩定不變的，這也是為什麼雪花的形狀通常為對稱。另一方面，塔夫茨大學的化學家瑪麗‧珍‧舒爾茨（Mary Jane Shultz）指出，每一片雪花都受到持續變化的風、陽光與其他變數影響，她最近發表的雪花物理學文章指出，當每一個晶體進入混亂的雲層時，它們就會呈現略微不同的形態。

 

 

　　根據利布萊希特的研究，西元前的中國學者就已經記錄過雪花的形狀，但第一個試圖理解背後原因的科學家，很可能是德國科學家兼博學者約翰內斯‧克卜勒（Johannes Kepler）。

 

　　1611年，克卜勒向贊助人、神聖羅馬帝國皇帝魯道夫（Rudolf II）送上了一份新年禮物：一篇名為〈六角雪花〉（The Six-Cornered Snowflake）的文章。克卜勒寫道，他在穿越布拉格的查理大橋時發現衣領上有一片雪花，不禁對其幾何形狀產生疑惑：「為什麼雪會呈現六角星形，肯定有原因，不可能是巧合。」

 

　　他回憶起同時代英國科學家、天文學家托瑪斯‧哈里奧特（Thomas Harriot）的一封信件。哈里奧特做過許多職務，包括為探險家沃爾特‧羅利爵士（Sir Walter Raleigh）擔任航海家。1584年左右，哈里奧特尋找最有效率把炮彈堆放在船上甲板的方法時，他發現六角形似乎是把球體固定的最佳方式，他為此聯繫了克卜勒。克卜勒好奇，雪花是否是因為類似的情況才變成六角形，以此固定住「像水一樣的液體最小自然單位」。

 

　　這是對原子物理學值得注意的早期見解，在此後300年都沒有被正式證實。事實上，水分子帶有兩個氫原子和一個氧原子，它們傾向於結合在一起形成六角形排列，克卜勒和同時代的人不可能知道這有多重要。萊斯大學凝聚體物理學家道格拉斯‧內特森（Douglas Natelson）解釋說：「由於氫鍵和分子之間細微的相互作用，就產生這種相對開放的晶體結構。」除了說明雪花的形成以外，六角形結構也讓冰的密度低於液態水，並且極大地影響地球化學、地球物理與氣候環境。根據內特森的說法，如果冰不會漂浮在水上，那「地球上就不可能出現生命」。

 

 

　　在克卜勒發表那篇論文後，人們從此對雪花產生了興趣，與其說它是一門科學，更像是一種嗜好。1885年，畢生居住在佛蒙特州小鎮耶利哥的20歲農民威爾遜‧班特利（Wilson Alwyn Bentley），拍下了世界上第一朵雪花（更準確地說法是雪晶）的照片。在往後的每個冬天，直到1931年因肺炎去世為止，班特利持續以膠片捕捉了5000多片雪花的模樣。

 

　　在1930年代，日本科學家中谷宇吉郎開始對不同類型的雪晶進行系統性的研究。到20世紀中期，中谷宇吉郎已經在實驗室製造人工雪花，他運用單根兔毛將雪晶懸浮在冷凍空氣中，並且長成完整的雪花。他修改了濕度和溫度的配置，培育出兩種主要的晶體類型，並整理出可能的雪花形狀。中谷宇吉郎發現，星形雪花通常在攝氏−2度至攝氏−15度之間形成，圓柱狀雪花則在攝氏−5度至攝氏−30度左右再次形成。在低濕度環境下，星形雪花很少產生分支，形狀更接近平面的六邊形；但在高濕度環境下，星形雪花容易產生更複雜的圖案。

 

　　利布萊希特表示，在中谷宇吉郎的開創性研究以後，各種形狀的雪花形成原因開始成為焦點。當雪晶的邊緣快速向外形成而表面緩慢向上形成時，晶體會長成扁平的星形和平面狀。圓柱狀雪花則以不同的方式形成，它的表面形成快速，但邊緣形成緩慢。但是，決定雪花到底是星形還是柱狀的基本原子過程仍然不透明，利布萊希特說：「是什麼跟著溫度改變了？我一直努力把這些因素拼湊起來。」

 

 

　　利布萊希特與同事嘗試提出一套雪花配方：一組方程式和參數，將其輸入到超級電腦裡，然後製造出現實中可見的各種雪花形狀。突破性的關鍵在於一個稱之為「表面能量驅動分子擴散」（surface-energy-driven molecular diffusion）的概念，它解釋了雪花的形成過程如何依賴分子的初始條件與行為。

 

　　試想一下，當水蒸氣開始凝結時，水分子原本是鬆散地排列。但如果用微型顯微鏡觀察，就會看到冰凍的水分子開始形成堅硬的晶格（lattice），每個氧原子被四個氫原子包圍。這些晶體藉由吸收周圍空氣中的水分子整合到這個模式之下，然後朝著兩個主要方向發展：向上或向外。當晶體的邊緣比晶體的兩個面更快整合時，就會形成薄而扁平的雪花（片狀或星形）；當晶體的兩個面比邊緣整合得更快時就會往上長，形成針狀、空心柱或圓柱狀的雪花。

 

　　根據利布萊希特的模型，水蒸氣一開始沉澱在晶體的四周，然後擴散到晶體的邊緣或兩面，分別導致晶體向外或向上形成。在各種表面效應與不穩定的相互作用下，這個過程最主要的因素在於溫度。

 

　　儘管如此，利布萊希特承認新的模型「一半取決於經驗」，因為一部分是為了與觀測結果相符所做，而不是完全從基本原理出發來解釋雪花的形成。不穩定性與無數分子之間的相互作用過於複雜，目前還沒有完全解開雪花之謎。但他希望新的概念能成為研究模型的基礎，藉由更詳盡的觀測與實驗來完善結果。

 

　　利布萊希特堅信，未來有更好的實驗與更複雜的電腦模擬時，就能回答解開更多雪花形成的問題，他說：「總有一天，你將能建立一個完整的分子、乃至原子的模型，然後觀察這些現象發生的過程，直到量子力學的尺度。」

 

 

原文出處：Quanta