本特利——給雪花照張相

曹則賢

我們的家園—地球—是宇宙中最特殊的星球，并且我傾向于相信它是唯一的。地球的一個(gè)特殊的地方是地表附近有水，在自然條件下可以表現(xiàn)出水的氣、液、固三相。氣相的水是無(wú)色的，但是如果密度夠大也會(huì)被看見(jiàn)。霧和美麗的云彩可以看成是水的氣液混合相。固相的水更是形態(tài)各異，包括冰（目前已確定16種不同晶體結(jié)構(gòu)的冰）、霜、雪、冰雹、軟雹（軟雹下落過(guò)程中同上升的水蒸氣之間的摩擦?xí)斐蓭щ姡瑩?jù)信這是云彩帶電的機(jī)制。具體細(xì)節(jié)尚不清楚）、雨夾雪等。雪片的大小在毫米量級(jí)，肉眼也能分辨出其星狀結(jié)構(gòu)，故有“雪花”的說(shuō)法。紛紛揚(yáng)揚(yáng)的雪花，引起過(guò)多少人的遐思。

本特利（Wilson Alwyn Bentley，1865～1931）出生于美國(guó)佛蒙特州杰里科小鎮(zhèn)，那里是著名的雪帶，年降雪量高達(dá)300厘米。在農(nóng)場(chǎng)里長(zhǎng)大的本特利，從小就為蝴蝶、樹(shù)葉、蛛網(wǎng)和雨滴著迷。15歲時(shí)，本特利收到了來(lái)自媽媽的生日禮物—一個(gè)小顯微鏡，這個(gè)本屬平常的家庭溫馨之舉卻成就了科學(xué)史上的一樁大事。本特利喜歡攝影，而家鄉(xiāng)每每出現(xiàn)的漫天大雪激發(fā)了他強(qiáng)烈的好奇心。不知何時(shí)，他有了一個(gè)熱切的愿望，要給雪花照張相。

1885年，19歲的本特利將顯微鏡加裝到照相機(jī)上，于1月15日拍攝到他的第一張雪花照片。本特利拍攝雪花照片的意義之一是開(kāi)啟了顯微攝影技術(shù)。顯微攝影技術(shù)發(fā)展到今天已經(jīng)達(dá)到了分辨原子像的本領(lǐng)，極大地促進(jìn)了現(xiàn)代科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展。就研究自然的必要性而言，實(shí)在的觀察手段和抽象的思維能力是同樣重要的。

成功獲得了雪花照片讓本特利對(duì)為雪花照相更加著迷。人們經(jīng)?？吹奖咎乩驹陲L(fēng)雪中，用羽毛或者絨布去接飄落的雪花，小心翼翼地把樣品放到也是放在室外的照相機(jī)顯微鏡頭下。本特利共獲得過(guò)5000多幅雪花照片，在此過(guò)程中本特利完善了雪花攝影技術(shù)。本特利拍攝雪花照片的意義之二是激發(fā)了人們研究雪花的興趣。

本特利從他的攝影作品中注意到，雖然雪花大體上都是六角的（用科學(xué)的語(yǔ)言說(shuō)，是具有D6對(duì)稱性），可是他卻沒(méi)拍到過(guò)兩張一樣的—“Every single snowflake is unique.”“每一片雪花都不同”的說(shuō)法未必能讓所有人信服，畢竟被拍攝的雪花數(shù)量有限，且“不同”的定義也是模糊的。但是，雪花能在保持六角對(duì)稱的前提下表現(xiàn)出已知的那么多種不同形態(tài)，這已經(jīng)夠不可思議的了。

本特利1931年出版的《雪晶》（Snow Crystals）一書展現(xiàn)了2500余幅帶有花邊設(shè)計(jì)的雪花照片，其中六角對(duì)稱卻又風(fēng)姿各異的雪花照片著實(shí)讓人著迷。本特利寫道：“在顯微鏡下，我發(fā)現(xiàn)雪花美得驚人，如果這種美麗無(wú)法看到，不能與人分享，就太可惜了。每片晶體都是一件杰出的設(shè)計(jì)作品，而且沒(méi)有一片是重復(fù)的。一旦雪花融化，這個(gè)設(shè)計(jì)也就永遠(yuǎn)消失了?！?/p>

雪花的六角結(jié)構(gòu)人們憑肉眼也能觀察到，因此古人對(duì)此早就知道。中國(guó)漢代就有“雪花六出”的說(shuō)法。德國(guó)數(shù)學(xué)家和天文學(xué)家開(kāi)普勒則在1611年前后寫下了《六角雪花》一書，闡述了關(guān)于雪花六角是因?yàn)槠渲械那蛐卧用芏逊e的猜測(cè)，從而有了關(guān)于密堆積的“開(kāi)普勒猜想”。

雪花的形成過(guò)程和雪花形貌今天依然是困擾科學(xué)家的前沿課題。利用現(xiàn)代攝影技術(shù)，人們可以獲得更加清晰、漂亮的雪花照片，更加深入地理解雪花的形成過(guò)程，但結(jié)果卻是對(duì)雪花生長(zhǎng)的原子過(guò)程和熱力學(xué)愈加感到迷惑不解。

如今人們已經(jīng)確定，在溫度和水蒸氣過(guò)飽和度這兩個(gè)變量所構(gòu)成的平面上的不同區(qū)域內(nèi)，雪花具有大體上一致的獨(dú)特形狀。但是，為什么一片具體的雪花能保持整體上的六角形狀卻又擁有不一樣的形貌，實(shí)在不容易理解。造成這種困難的一個(gè)原因是雪花形成過(guò)程中還伴隨有空氣中顆粒物的影響。在人們的印象中，水在0℃以下就會(huì)結(jié)冰。其實(shí)，水要結(jié)冰，首先要由一些水分子先形成一些納米大小的冰核，即要求有個(gè)預(yù)先形核的過(guò)程。如果是純水的話，所謂的同質(zhì)形核要在-42℃以下才會(huì)發(fā)生。不過(guò)，如果水蒸氣中含有固體微顆粒的話，水分子會(huì)凝結(jié)到顆粒上成核，這種異質(zhì)形核不會(huì)要求那么低的溫度。若冰核的尺寸達(dá)到10微米左右，就能繼續(xù)生長(zhǎng)成雪花了。這就是為什么在比0℃略低的天氣就能看到飄雪的原因。雪花的形狀與過(guò)冷水的異質(zhì)形核過(guò)程和后續(xù)生長(zhǎng)過(guò)程中水分子的附著都有關(guān)，由于這些過(guò)程都不好跟蹤（水對(duì)現(xiàn)代分析技術(shù)來(lái)說(shuō)是個(gè)很麻煩的對(duì)象），這其中的微觀過(guò)程就一直未能確立。注意，對(duì)處于一定溫度下的、具有一定過(guò)飽和度的水蒸氣，人們可以通過(guò)播撒碘化銀等物質(zhì)的顆粒讓水蒸氣形核長(zhǎng)成雨滴，也即我們掌握了人工增雨的技術(shù)，可是我們卻不知道如何實(shí)現(xiàn)人工增雪。冬天的凍雨對(duì)于植物來(lái)說(shuō)是災(zāi)難性的，如果有一天人們掌握了人工增雪技術(shù)，那無(wú)疑是地球人的福音，而這需要我們徹底地理解雪花的生長(zhǎng)過(guò)程。

對(duì)美麗雪花的現(xiàn)代科學(xué)意義上的理解，始于一個(gè)農(nóng)民的好奇心和追求。

本文選自《一念非凡—科學(xué)巨擘是怎樣煉成的》。該書由外語(yǔ)教學(xué)與研究出版社出版，入選我社“中華優(yōu)秀科普?qǐng)D書榜”2018年第一季度“成人原創(chuàng)”榜單。