千姿百态的雪花

颜士州

雪花，洁白晶莹，轻盈飘逸。自古以来，不知有多少文人雅士为它吟诗作赋。唐代岑参的“忽如一夜春风来，千树万树梨花开”、李白的“地白风色寒，雪花大如手”等，都是脍炙人口的千古佳句。

雪花是美丽的，美丽之处在于它独特的造型图案。很久之前就有人发现，在大自然中没有两片完全相同的雪花，就像地球上没有两个完全相同的人一样。20世纪初，美国一位名叫本特雷的科学家，他花了约50年的时间，借助一台显微镜和一架照相机，年复一年地拍摄了4000多幅形状各异的雪花照片，出版了一本《雪花目录册》。本特雷所发表的这些照片，后来几乎被世界各国所有的气象工作者复制和利用。

为什么自然界的雪花千姿百态，各不相同呢？这个问题长期以来一直是个谜，也是医学、生物学及冶金学等众多领域的专家感兴趣的问题。或许人们会问，为什么这些领域的科学家会对雪花的图形感兴趣呢？原来，冶金工作者想了解晶体的生长速度和不规则形状究竟是由什么因素决定的，因为这些因素对凝固后的合金的抗拉强度有着重要的影响。揭开雪花造型形成的奥秘，有助于帮助科学家解决这个问题。

最近，美国加州圣巴巴拉大学的理论物理研究者詹姆斯·兰格博士，通过计算机模拟雪花图案的程序，初步揭开了这个谜。通过研究，科学家们发现，每片雪花约由10000颗聚集在一起的微小水滴组成。当这些水滴飘浮在空中时，起初都具有相同的对称六角形结构，但随后便开始生成6个羽状分支，使每片雪花具有完全不同的图案花形。

据研究，雪花的形成过程与硫酸晶体的生长过程大致相仿。如果将一些悬挂在绳子上的硫酸铜晶体（也称晶种）放入过饱和的硫酸铜溶液中，这些小晶体处于相同的溶液环境，最后形成的大晶体总是具有相同的形状。但如果同样的晶种放在各种不同浓度的硫酸铜溶液中，外部条件不同，形成的晶体就千变万化，形状各不相同了。

雪花是由微小的冰晶飘浮在大气中吸收水分子生成的，它的生成环境是不稳定的。在空气中，雪花晶体吸收分子的速率取决于雪花向下飘落时大气变化的情況。由于空气气流紊乱多变，使得每片雪花下落的途径不同，而且每片雪花在不断生成过程中受到的温度、湿度以及杂质的影响都不相同。科学家认为，温度、湿度的一丝变化都会改变雪花的最终形状。因此，雪花的图案花形总是千姿百态，令人不可捉摸。当你再仔细观察一下雪花，可以看到每片雪花中的6个分支并不完全对称，但却十分相似。这是因为每一片雪花中的分支，比起两片雪花的形成过程，前者的生长条件是十分近似的。通过计算机的模拟实验已经证实了这一点。另外，计算机实验还发现，在自然界的条件下形成一片美丽的雪花，可能需要几个小时。

雪花图形问题是新兴的图形形成学内容之一。科学家认为，研究雪花图形的最重要意义在于，人们找到并开始了一个新的研究方向——数学与实验齐头并进。