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。氣相的水是無色的，但是如果密度夠大也會被看見。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，肉眼也能分辨出其星狀結(jié)構(gòu)，故有“雪花”的說法。紛紛揚揚的雪花，引起過多少人的遐思。

本特利（Wilson Alwyn Bentley，1865～1931）出生于美國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)場里長大的本特利，從小就為蝴蝶、樹葉、蛛網(wǎng)和雨滴著迷。15歲時，本特利收到了來自媽媽的生日禮物—一個小顯微鏡，這個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)了他強烈的好奇心。不知何時，他有了一個熱切的愿望，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為雪花照相更加著迷。人們經(jīng)常看到本特利站在風(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顯微鏡頭下。本特利共獲得過5000多幅雪花照片，在此過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)的語言說，是具有D6對稱性），可是他卻沒拍到過兩張一樣的—“Every single snowflake is unique.”“每一片雪花都不同”的說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)計的雪花照片，其中六角對稱卻又風(fēng)姿各異的雪花照片著實讓人著迷。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)計作品，而且沒有一片是重復(fù)的。一旦雪花融化，這個設(shè)計也就永遠(yuǎn)消失了。”

雪花的六角結(jié)構(gòu)人們憑肉眼也能觀察到，因此古人對此早就知道。中國漢代就有“雪花六出”的說法。德國數(shù)學(xué)家和天文學(xué)家開普勒則在1611年前后寫下了《六角雪花》一書，闡述了關(guān)于雪花六角是因為其中的球形原子密堆積的猜測，從而有了關(guān)于密堆積的“開普勒猜想”。

雪花的形成過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程，但結(jié)果卻是對雪花生長的原子過程和熱力學(xué)愈加感到迷惑不解。

如今人們已經(jīng)確定，在溫度和水蒸氣過飽和度這兩個變量所構(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，實在不容易理解。造成這種困難的一個原因是雪花形成過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℃以下就會結(jié)冰。其實，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，即要求有個預(yù)先形核的過程。如果是純水的話，所謂的同質(zhì)形核要在-42℃以下才會發(fā)生。不過，如果水蒸氣中含有固體微顆粒的話，水分子會凝結(jié)到顆粒上成核，這種異質(zhì)形核不會要求那么低的溫度。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。雪花的形狀與過冷水的異質(zhì)形核過程和后續(xù)生長過程中水分子的附著都有關(guān)，由于這些過程都不好跟蹤（水對現(xiàn)代分析技術(shù)來說是個很麻煩的對象），這其中的微觀過程就一直未能確立。注意，對處于一定溫度下的、具有一定過飽和度的水蒸氣，人們可以通過播撒碘化銀等物質(zhì)的顆粒讓水蒸氣形核長成雨滴，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現(xiàn)人工增雪。冬天的凍雨對于植物來說是災(zāi)難性的，如果有一天人們掌握了人工增雪技術(shù)，那無疑是地球人的福音，而這需要我們徹底地理解雪花的生長過程。

對美麗雪花的現(xiàn)代科學(xué)意義上的理解，始于一個農(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》。該書由外語教學(xué)與研究出版社出版，入選我社“中華優(yōu)秀科普圖書榜”2018年第一季度“成人原創(chuàng)”榜單。