雪花的形状之谜

刘志超

雪花是冬日的精灵，它将世界点缀得富有诗意，犹如童话一般。从古至今，人们都对它不吝赞美。面对着空中飘舞的雪花，有的人却想得更深更远：这些似花非花的精灵，到底是什么样子呢？它又有什么秘密呢？

如果雪花也算作花的话，这朵花就很奇特了。它因寒冷而生，原来的模样只是一个个微小的水滴。在自然界，花的种类非常多，从花瓣的数量来说，有四瓣的，如十字花科的油菜花；有五瓣的，如石竹花；像月季花、玫瑰花、菊花的瓣数就更多了。那雪花有几瓣呢？如果你用肉眼来观察雪花，会发现它有六瓣。雪花有六瓣古人早已知道，汉代的《韩诗外传》中就有记载：“草木花多五出，雪花独六出。”

数出雪花有六个角很容易，但会有人问，为什么它是六个角，而不是五个或者七个角呢？这个问题困扰着许多人，包括一些伟大的科学家，譬如德国天文学家开普勒。这位伟大的科学家发现了行星三大运行定律，是天文学界划时代的人物。他对雪花做了一番研究，并写了一篇题为《论六角形雪花》的论文。在论文里，他推测说，六角形、三角形和正方形是仅有的能紧密排布成一个平面而不留白的形状。至于雪花为什么不是三角形和正方形，他说蜜蜂的蜂巢就是六边形的，所以雪花也是六角形。

现在我们知道，开普勒关于雪花为什么是六角形的说法是缺乏科学逻辑的。在他写这篇论文300年后，人类才有了X射线衍射技术。通过这种技术，科学家们找到了答案。

水汽凝华结晶成的雪花和天然水冻结成的冰都属于六方晶系。在参观博物馆的时候，我们很容易被那纯洁透明的石英水晶所吸引。石英水晶和冰晶一样，都是六方晶系，不过石英水晶是二氧化硅的结晶，冰晶是水的结晶罢了。另外，我们吃的食盐也是晶体，不过它是立方晶体，和冰晶不同。

我们弄清了雪花为什么是六角形之后，问题又来了：是不是所有的雪花都是一个模样的呢？有一个叫莱布尼茨的著名哲学家说过：“世界上没有两片完全相同的树叶，没有性格完全相同的两个人。”从哲学层面上说，所有的雪花都是不一样的。但是，还是有人不相信，他决心去一个一个地观察。

这个人就是威尔逊·本特利。这位出生在美国佛蒙特州的农民，从小就特别喜欢雪花。15岁时，他开始用一台显微镜在农舍里观察雪花。1885年，本特利用一架连接了显微镜的相机拍到了第一张雪花的显微镜照片。此后的数十年中，这位“雪花摄影师”拍下了5000多幅雪花照片，其中每一片雪花都不尽相同。这位痴爱雪花的农民辞世前曾说：“雪花是美的奇迹，人们无法看到并仰慕这种美，是无比遗憾的事。每一朵雪花都是绝作，并无备份；一朵晶莹的雪花消融，一份独特的设计就将再不为人们所见。美这样逝去，不留下半点痕迹。”后来根据他的故事，杰奎琳·马丁创作了绘本《雪花人》。《雪花人》充满了温情与美丽，它于1999年获得了美国凯迪克金奖，后来被翻译成多国文字。

在本特利的时代，给雪花拍照是个细致活儿，但并不十分困难。最主要的难点在于，这项工作必须在零下的温度中完成，并且需要身体暴露在严寒中。不过随着科学技术的进步，给雪花拍照已经不再是很难的事情了。在最近的一百多年中，全世界出现了许多研究雪花的爱好者，如今最著名的“雪花人”当数美国加州理工学院的物理学教授肯尼思·利布雷希特。他拍摄的雪花照片还被做成邮票，传播到世界各地，包括世界上那些永远不下雪的地方。

雪花的形状千姿百态，人们对这些形状进行了分类，有简单的，也有复杂的。最简单也是大家基本上认同的有六种形状，分别是针形、柱形、盘形、轮形、树突形和星形。在这六种形状中，柱形和盘形是雪花的最基本形态，其他四种是这两种基本形态的发展、变态或组合。柱形雪花呈六棱柱状，长而细，也叫柱晶；有时它的两端是尖的，样子像一根针，叫针晶。盘形雪花呈六角形，比较薄，像是从六棱铅笔上切下来的片晶。在雪花形成过程中，如果纵向发展比较快，就会形成一根六棱的柱子；如果横向发展较快，就成了薄的六边形；如果先纵向发展，再横向发展，就形成了轮形的雪花。

实际上，雪花的形状与温度、湿度关系密切，科学家已经能在实验室中通过控制条件来生成不同形状的雪花。看来，小小的雪花不仅美丽，而且还有很多值得研究的物理问题呢！

（选自《天天爱科学》）