雪花是如何形成的一直是个谜。这位物理学家想成为清除南加州到阿拉斯加费尔班克斯迷雾的人。冬天那里的温度几乎总是低于冰点。他穿上厚厚的风雪大衣，拿着相机和泡沫板，坐在地上等待大雪降临。在这里，他等待着大自然能生产出的最闪亮、最锋利、最美丽的雪晶。他说，超级雪往往在最寒冷的地区形成，比如费尔班克斯或多雪的纽约州北部。在他的整个研究过程中，他所见过的最好的雪花来自安大略省东北部偏远的科克伦，那里的风很小，雪花几乎直接从云层中落下。Libbrecht在自然环境中，像考古学家一样耐心地检查收集盘，寻找完美的雪花和其他晶体。“这是一项用肉眼观察并找到高质量雪花的工作，”他解释道。“如果板上没有，就把它扫出来重新开始。整个过程要重复几个小时。”Libbrecht是加利福尼亚州的物理学家。技术研究所的实验室专门研究太阳的内部结构和开发先进的引力波探测器。但20年来，利布雷希特研究雪花的热情从未消退——除了表象，他更关注雪花形成的内在原因。他感慨地说：“看着这些从天而降的造物，我心里一直在想，它们为什么会有这样的形状呢？”75年来，物理学家已经知道雪花的微小晶体主要分为两部分。大类型。一个是标志性的扁星，有6或12个花瓣，每个花瓣都有美丽的水晶延伸，像万花筒一样耀眼；另一个是圆柱形的，一部分像两个夹着薄片的三明治，另一部分看起来像五金店里常见的螺栓。不同的雪花形状与环境、温度、湿度有关，但其形成的具体原因一直是个谜。多年来，Libbrecht的潜心观察使人们对雪花如何结晶有了更好的了解。法国鲁昂大学的材料科学家GillesDemange对雪晶也很感兴趣。他评论道：“肯尼斯·利布雷希特可以说是这一领域的‘大师’。现在，利布雷希特将他的实地观察整理成一个新的结晶理论模型，试图解释雪花和其他雪晶是如何以及如何形成的。”在今年10月发表的论文中，他描述了水分子在冰点附近的舞动势能，并根据这种分子的特定运动规律，解释了晶体在不同条件下的整个形成过程。在另一本540页的专着中，Libbrecht还描述了关于雪晶的所有已知知识。莱斯大学凝聚态物理学家道格拉斯·纳特尔森(DouglasNatelson)评论该论文称：“这和环法自行车赛一样难。”纳特尔森总结道，“这并不容易，但这个结果真的很棒。”▲图：KennethLibbrecht，加州理工学院物理学家，位于安大略省科克伦市。当高质量的冰晶落在泡沫板上时，他用小刷子将它们捡到载玻片上，然后通过显微镜观察它们。你可能听说过关于卦象的说法——“没有两片雪花是完全一样的”，这个事实源于水晶在空气中的结晶过程。雪的本质是在大气中形成并在落到地面时保持其形状的冰晶集合。雪花只有在大气温度足够低时才会形成，否则它们会聚结甚至融化，最终变成雨夹雪或纯粹的雨滴。尽管云中的温度和湿度水平会发生变化，但这些变量对于单个雪花来说几乎是恒定的。正因为如此，雪花经常形成对称结构。另一方面，在最近一篇关于雪花物理学的论文中，塔夫茨大学化学家MaryJaneShultz认为，每一片雪花实际上都受到风、暴露和其他变量的影响，并且“受到这些混乱因素的影响”。每个冰晶的形状都会因冰晶的影响而略有不同。”虽然云层包含的温度和湿度水平范围很广，但这些变量对于雪花来说几乎是恒定的，这就是为什么雪花生长通常是对称的。另一方面，在最近一篇关于雪花物理学的论文中，塔夫茨大学化学家MaryJaneShultz表明，每个雪花实际上都受到风、暴露和其他变量的影响。她解释说，当每个冰晶受到这些混乱因素的影响时，它的形状略有不同。对雪花结构的观察和研究可以追溯到公元前135年的中国。当时西汉诗人韩英的《韩氏外传》是这样描述雪花的：“一草一木有五朵花，而雪花只有六片。”这句话的意思是，大多数普通花草都有五瓣，唯独雪花有六瓣。这应该是古人对雪花形状最早的描述和总结。可见，至少在2000多年前的西汉时期，中国人就已经对雪花有了非常详尽的认识、观察和研究。它已成为中国古代诗歌中的经典意象，具有独特的文学地位。但即便如此，第一个真正想知道雪花背后是什么的科学家是德国科学家和博物学家约翰内斯·开普勒。1611年，开普勒向他的赞助人神圣罗马帝国皇帝鲁道夫二世赠送了一份新礼物，一篇名为《六角形雪花》的论文。开普勒写道，当他穿过布拉格的查理大桥时，他注意到一片雪花落在他的衣领上，这让他开始思考雪花的几何形状。“雪花的六边形背后一定有原因，”他写道，“这不可能是偶然的。”飞行员。大约在1584年，Harriot面临着寻找在船甲板上放置炮弹的最佳方式的问题，他发现六边形结构似乎是将球体紧密排列在一起的最佳方式。哈里奥特把这件事告诉了开普勒，开普勒想知道自然界中的雪花是否也发生过类似的事情，它们的六个面是否可以固定排列在“水滴等最小的自然液体单位”上。▲图片：显微镜下扁平的雪花。这其实是原子物理学的一个早期研究路线，但整个学科直到300年前才正式建立起来。事实上，具有两个氢和一个氧的水分子往往会锁在一起形成六边形排列。开普勒和其他人当时并没有意识到这有多么重要。“由于氢键和分子间相互作用的细节，你有这种相对开放的晶体结构，”Natelson说。除了帮助雪花生长外，这种六边形结构还使冰的密度低于液态水，这极大地影响了地球化学、地球物理学和气候的形成和行为。他争辩说，如果冰不能漂浮，“那么地球上就没有生命存在的可能性”。尽管开普勒的论文成功发表，但雪花观测与其说是一门科学，不如说是一种爱好。1880年代，一位名叫威尔逊·本特利的美国摄影师——来自佛蒙特州杰里科地区一个寒冷、优质的产雪村庄——开始尝试用底片制作第一张雪晶图像。在最终死于肺炎之前，他给我们留下了5,000多张雪晶照片。▲图片：日本物理学家中谷浩一郎数十年来致力于研究各种类型的雪花。接下来，到1930年代，日本研究员中谷浩一郎开始对不同类型的雪晶进行系统研究。到十九世纪中叶，中谷开始在实验室尝试制作雪花，包括用兔毛将霜晶悬浮在冰冻空气中，逐渐形成完整的雪花。他修改了湿度和温度设置，探索了两种主要冰晶的形成机制，并编制了一份开创性的可能晶体形状目录。Nakatani发现星形结构往往在-2到-15摄氏度时形成，而圆柱形结构在-5到-30摄氏度时更常见。在低湿度条件下，星形雪花的分支较少，类似于六边形晶片；但在高湿度条件下，星形雪花可以形成更复杂、更明亮的结构。利布雷希特说，在中谷进行了一系列开创性工作后，人们终于开始关注不同雪晶形状形成的原因。雪花往往具有扁平的星状和板状结构（而不??是三维结构），因为边缘在横向上快速生长，但在垂直方向上生长得更慢。相应地，柱状雪花是垂直生长较快但水平生长较慢的产物。但是决定雪晶是恒星还是圆柱体的基本原子过程在很大程度上仍然未知。Libbrecht提到，“温度变化会产生什么样的影响？我一直希望能够整合这些影响因素。”雪花的公式Libbrecht和关注这个课题的研究团队一直希望梳理出雪花形成的“配方”——一组方程和参数，可以输入超级计算机来创造出各种各样的雪花。事实上，他们已经成功了。利布雷希特在意识到奇特的雪花结构（如带盖圆柱体）的存在后开始了他长达两年的研究。这种雪花看起来像熟悉的线轴，或者两个由轴连接的轮子。利布雷希特是北达科他州人对此感到震惊，“为什么我从来没有见过这样的雪花呢？”带着对雪晶的痴迷，他随后出版了一本解释雪花本质的科普书，很快，他就开始制作各种雪花生产设备在他的实验室里。他提出的最新模型可以说是近几年几十年观察和实际生产相结合的产物。他提出的关键突破是一种称为表面能驱动的分子扩散机制。这种思路描述了初始条件如何影响雪晶分子的行为并最终决定雪晶的形状。想象一下，当水分子刚开始结冰时，单个分子的排列仍然相对松散。如果我们通过显微镜观察，我们可以看到冷水分子开始形成刚性晶格，其中每个氧原子都被四个氢原子包围。这些晶格通过不断吸收空气中的水分子而自行生长。生长方向分为水平生长和垂直生长两种。当横向吸收率超过垂直吸收率时，雪花最终会变成薄而扁平的晶体（板状或星状）——这意味着新形成的晶体会不断地横向扩散。但是，当纵向的吸收率高于横向的吸收率时，晶体的高度会不断增加，最终形成针状、空心圆柱或棒状结构。根据Libbrecht的模型，水蒸气会首先沉积在晶体的角上，然后通过整个表面扩散到晶体的边缘或中心，这分别对应于晶体的横向和垂直生长。在各种表面和不稳定性相互作用下，“温度”成为最终决定哪种生长方式能够胜出的关键。这一切只能发生在像“冰”这样不寻常的物质中，这种现象被称为“预融”。水冰混合物的温度无限接近其熔点，因此最外层呈现无序液态。预熔是以水平还是垂直形式发生主要受环境温度的影响，但具体机制尚不完全清楚。“我想出的模型非常粗糙，细节还有待完善，”利布雷希特说。但他对整体外观的假设似乎非常合理。▲图：圆柱形雪花示例。他的新模型集是“半经验的”，也就是说，它是根据观察结果进行部分调整的，而不是从头开始对雪花生长进行原则性解释。这是可以理解的，因为无数分子之间的不稳定性和相互作用太复杂而无法完全阐明。不过，他希望自己的成果能够为全面的“冰晶生长动力学模型”奠定基础，最终通过更细致的测量和实验得出严谨可靠的结论。虽然“冰”在自然界中非常特殊，但类似的问题在凝聚态物理领域却屡见不鲜。药物分子、计算机中使用的半导体芯片、太阳能电池以及无数其他应用都依赖于高质量晶体的物理和化学性质，这导致无数研究人员致力于晶体生长的理论研究。MeeneshSingh是伊利诺伊大学芝加哥分校的研究员。他和其他几位作者最近发表了一篇论文，他们在论文中发现了一种新机制，有望解开晶体如何在溶剂中生长的谜团。溶剂环境中的晶体生长不同于Libbrecht关注的冰雪相变结晶。所谓溶剂结晶，是指将固体物质溶解在水或其他液体的溶液中。通过调节温度和添加其他溶剂，我们可以生成新的药物分子晶体，或者生产用于太阳能电池的新晶体等。“目前，晶体生长的所有应用都只能基于经验，”辛格说。“我们只有一些经验数据，我们试图根据这些信息来解释晶体是如何生长的。”中的分子如何结合到晶体中。“一个分子在开始结晶之前要经历什么样的作用？为什么单个分子会转变为晶体？如果我们朝这个方向思考，我们会发现越来越多无法解释或解决的新问题。”Libbrecht坚信，更严密的实验和更复杂的计算机模拟能力有望在未来几年逐步揭开与晶体生长相关的问题。他说，“总有一天，人们将能够建立一套完整的分子模型，细化到原子单位，整个现象观察过程将继续下去，直到达到量子力学的水平。”时至今日，他依然喜欢带上相机去追逐冰雪之旅。最近他去了阳光明媚的南加州，在他的实验室里组装了一个复杂的系统来生产雪花。现年61岁的他感慨地说：“我可以慢慢退休，开始一心一意与冰雪打交道。”
