事物的表象背后

文｜尹传红

打小痴迷科普科幻，书香悦读一路相伴。分享科学奇美理趣，留下探索思考印记。

今年高考全国乙卷的语文试题中，实用类文本阅读给出了三则材料，它们分别选自杨振宁的《对称与物理》、尹传红的《由雪引发的科学实验》和肯尼思·利布雷希特的《冰的形态发生：雪晶中的物理学》。这三篇文章都关涉同一个主题：雪花的六角形结构。要求考生作答的三道题，亦由浅入深做了延伸，甚至问及关于雪花的思考对科学研究有什么意义？给我们带来哪些启示？

不少人已经注意到，近年来，在全国各地高考的语文试卷中，科技创新和科普科幻相关题目出现的频率越来越高。我本人撰写的科普作品此番意外“撞”上，恰是一个明证。对于这道高考题，我想，出题人出题的初衷，并非是要单纯考查考生们对雪花形状相关知识的了解。其着眼点，应是如何从观察、思考中发现问题，并运用科学思维探寻现象背后的本质，变“未知”为“已知”。

这样的一个探索过程，往往也是科学精神的彰显。展开了说，我们的科学普及和科学教育，如能跨越简单传播知识的层面，给予受众方法、思想上的熏陶，其传播效果无疑会更好，意义亦当更为深远。

回到雪花形状这个科学主题。杨振宁先生的文章提及，早在公元前一百多年的西汉文帝时代，有位名叫韩婴的诗人就在《韩诗外传》中指出：“凡草木花多五出，雪花独六出。”这见识比西方足足早了一千多年。可是在其后的（中国）古文献中，却没有人再去探究雪花何以是六瓣的。

17世纪初的一天，德国天文学家、行星运动定律的创立者约翰内斯·开普勒，在穿过一座大桥时留意到落在他衣服上的一片雪花，开始思考：雪花为什么会呈现出六角形的几何形状？他认为这不可能是巧合，且“原因不能通过材质寻找，因为水汽是无形且流动的，原因只能存在于某些机制中。”

受限于当时所掌握的知识，开普勒未能对雪花六角形结构的成因做出准确、科学的解释，但他思考问题的“方向是很有意思的”（杨振宁语）。他想要弄清楚形成六角形的动因是什么？他同时注意到自然界中另外一种壮观的六边形结构——蜜蜂的蜂房：“结构是这样的，不但每个蜂房与同一排的6个蜂房共享6面墙，底部的3个平面与对面一排的蜂房也是共享的。”他还把这种几何结构和石榴的种子相比较，将其形成归因于类似在圆形容器里的小球对称地挤压在一起的物理过程。

事物的表象背后，往往隐藏着自然之理。在开普勒提出问题以后的3个世纪里，接连有不少研究者带着极大的兴趣去研究自然结构几何学中的经典例子：雪花、蜂房之外，还有蛛蛛网、海洋生物的壳以及植物中各部分的排列，甚至也包括云的形状、山的轮廓、岸边的细波、岬间沙湾冲出的曲线，并陆续把研究范围扩展到寻找“自然界的几何特征”，探讨自然界的数学奇观。这些跨学科思维的引领，使得人类向着理解自然世界的复杂构成迈出了一大步。

雪花六角形的秘密，是伴随着现代科学的发展而被逐渐揭开的。如今我们已然了解，雪花是一种冰晶的几何组成。由水分子构成的冰晶形状是由表面张力决定的，冰晶突起朝六个方向延伸，使得绝大多数（不是全部）雪花都呈现出六角形。更精细的研究表明：标准的六角形雪花只在零下15摄氏度以下才会形成；只有千分之一的雪花具有完美的六边对称性。