雪落时，为什么每一片雪花都不一样？
The following article comes from 中科院物理所 Author Rebecca Boyle
今天是小寒，你那里下雪了吗？我们都说没有两片雪花的形状是一样的，但是观察表明它们的形状可以被分为两大类，取决于雪花形成时它所处的微观环境的条件。
雪花生长。插图来源：Kenneth Libbrecht
本文转载自公众号“中科院物理所”
来源 Quanta Magazine
作者 Rebecca Boyle
翻译 Nuor
审校 xux
雪花晶体主要有两种形态，雪花物理学的“教皇”有个新的理论来解释其中的原因。
肯尼斯·利波瑞特（Kenneth Libbrecht）是一个奇特的人：在冬季冬意正浓的时候，他会离开南加州，前往阿拉斯加的费尔班克斯，因为那里的温度基本都在零度以下。他会穿上派克大衣，拿上相机和一块泡沫板来到荒原上，静静地等待雪的来临。
确切地来说，他在寻找自然界中最为闪亮，形状最标准，最美丽的雪花晶体。他说，最优质的雪花往往在最寒冷的地方产生，比如说在费尔班克斯和白雪皑皑的纽约州北部。他找到的最好的雪花是在安大略（Ontario）省东北偏远地区的科克伦（Cochrane）（译者注：加拿大东部），在那里，雪花掉落的时候很少有风的干扰。
沉浸于自然中的时候，利波瑞特有可以与考古学家媲美的耐心，不断观察着落在板子上的雪花，寻找着最完美的雪花和其他雪晶。他说：“如果真的有很好的雪花，你会留意到。反之，扫落这批雪花，继续等待和寻找”。
利波瑞特是物理学家，他在加利福尼亚理工学院的实验室研究了太阳的内部结构，开发了用于引力波检测的仪器。但是，近二十年来，利波瑞特的兴趣一直在雪花上，不仅仅是雪花的外观，还有其成形的起因。“雪花从空中下落时的形成过程令人困惑，其难点在于‘为什么要形成那样的形状’，这一点难住了我。”
肯尼斯·利波瑞特，加利福尼亚理工学院的物理学家。2006年摄于安大略省科克伦市。当成形优良的雪晶降落在泡沫芯板上时，他用一把小颜料刷将其捡起，放在玻璃载玻片上，并将其放在显微镜下进行进一步检查。插图来源：Kenneth Libbrecht
近 75 年以来，物理学家已经知道雪中微小的结晶主要可以分为两类。一种是标志性的平面星形，有 6 或 12 个点，每个点都装饰着与之相匹配的花边分支。其可能性之多令人眼花缭乱。另一种是圆柱，有时被扁平的盖子夹在中间，有时像五金店的螺栓。不同的温度和湿度下会出现不同的形状，但其形成原因一直是个谜。
经过利波瑞特多年来的辛苦观察，他对雪的结晶过程逐渐有了深刻的理解。法国鲁昂大学（University of Rouen）同时研究雪晶的材料科学家吉尔斯·德曼奇（Gilles Demange）评价道：“他是这一领域当之无愧的教皇。”
现在，利波瑞特提出了一个关于雪花结晶的新模型，这个模型试图解释雪花结晶的原因和其他雪晶形成的方式。在他 10 月份发表的一篇论文中，他详细描述了水分子在冰点附近的运动，以及特定的运动方式最终会导致什么样的雪花样式。在另一本 540 页的专著中，利波瑞特描述了有关雪晶的全部知识。赖斯大学（Rice University）的凝聚态物理学家道格拉斯·纳特尔森（Douglas Natelson）称这部新专著为“一部力作”。
纳特尔森说：“作为一部作品，不得不说，它真的很棒。”
六角星
每个人都知道没有两片一样的雪花，这一事实源于晶体在天空中形成的方式。雪是一团冰晶，在大气中形成，并在它们下落时保持其形状。雪花形成于大气冷到能阻止它们融化变成雨或雨夹雪的时候。
尽管云中的温度和湿度是不均匀的，但是在雪花大小的范围内，这些变量大约都是常数，这就是雪花的生长通常是对称的原因。另一方面，塔夫茨大学（Tufts University）化学家玛丽·简·舒尔茨（Mary Jane Shultz）指出：每片雪花都受到风，日光和其他变量变化的影响。她解释说，由于每个雪晶都到云层紊乱的影响，它们的形式都略有不同。
寒冬的混合。不同的雪晶受不同的温度和湿度的影响而形成。其形状主要依赖于温度，而湿度主要影响其成长速度和复杂度。插图来源：Kenneth Libbrecht
最早关于雪晶形状的记载可追溯到公元前 135 年的中国，中国西汉学者韩婴在《韩诗外传•补遗》中记载：“凡草木花多五出，雪花独六出。” 第一个探寻雪晶形成原因的科学家可能是德国科学家和博学大师约翰尼斯·开普勒（Johannes Kepler）。
1611 年，开普勒向他的赞助者——神圣罗马皇帝鲁道夫二世提供了新年礼物：一篇名为“六角雪花”的文章。开普勒写道，当他走过布拉格的查理大桥时他注意到衣领上有雪花，他忍不住沉思其几何结构。“雪花形成六角星状肯定有原因，不可能是偶然。”
他想起当代英国科学家兼天文学家托马斯·哈里奥特（Thomas Harriot）的来信，哈里奥特曾担任探险家沃尔特·罗利爵士（Sir Walter Raleigh）的领航员。1584年左右，哈里奥特（Harriot）在寻求船甲板上堆放炮弹的最有效方法时发现，六角形图案似乎是将球体紧密堆积在一起的最佳方式，这与开普勒的想法是一致的。开普勒想知道雪花中是否正在发生类似的事情，它们的六个侧面是否与“类似水的液体的最小的自然单位”相一致。
片状雪花的微型结构。插图来源：Kenneth Libbrecht
这是对原子物理学的一个非凡的早期洞察，一个在未来 300 年内不会被形式化的洞察。实际上，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阵列。开普勒和他同时代的人尚未意识到其重要性。纳特尔森说：“由于氢键的存在和分子键之间的相互作用，就可以有相对开放的晶体结构。” 除了形成雪晶，这种六角形结构还使冰的密度低于液态水，极大地影响了地球化学，地球物理学和气候。根据纳特尔森的说法，如果冰不漂浮，“地球上的生命将是不可能存在的”。
开普勒的论文发表后，雪花观察仍然是他的一种业余爱好，而不是一门科学。十九世纪八十年代，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一个有着高质量雪花的寒冷村庄——开始用照相底片拍摄第一批雪晶图像。在最终死于肺炎之前，他制作了超过 5000 张图片。
日本物理学家中谷由一郎绘制的各种雪花的图画，他对不同类型的雪花进行了长达数十年的研究。插图来源：Ukichiro Nakaya
在 1930 年代，日本研究员中谷由一郎（Ukichiro Nakaya）系统地对不同雪晶类型进行研究。到本世纪中叶，中谷开始在实验室里生产雪花，用兔子的毛将冰霜晶体悬浮在冷冻的空气中，在那里它们可以长成成熟的雪花。通过修改湿度和温度设置，他生长出两种主要的晶体类型，并开创性地整理了其可能形状的目录。中谷由一郎发现，星形的雪花往往在 -2°C 和 -15°C 下形成，圆柱形的在 -5°C 和大约 -30°C 下形成。在低湿度下，雪晶很少形成分支，类似六角形平面，但在高湿度下，星星能长出更复杂，有更多花边的图案。
利波瑞特认为，在中谷由一郎的开创性工作之后，各种晶体形状的原因也开始引起人们的关注。当边缘快速生长时，晶体会生长成扁平的星形和平板状（而不是三维结构）。细长的柱以不同的方式生长，面生长得比较快，边比较慢。
但是，决定雪晶形状像星星还是圆柱的微观过程仍然不是那么清晰。“随温度改变的是什么？”利波瑞特说，“我一直试图将所有内容拼凑在一起。”
“雪花食谱”
利波瑞特和研究此问题的研究人员们一直在尝试提出一种“雪花配方”，即一组方程和参数，它们可以输入到超级计算机中，然后再产生各种各样我们看到的雪花。
在了解各种奇异的雪花形式（称为带帽柱状）后，利波瑞特花了二十年来进行这项研究。 它看起来像一个空的线轴，或两个轮子和一个轮轴。作为北达科他州的本地人，他感到震惊，和疑惑：“我从未见过其中任何一种。”他对无尽的雪花形状着迷，并着手之后出版的一本科普读物用于解释它们的性质，并开始为此拍摄图片。 很快，他在实验室里制作雪花种植设备。他的新模型是几十年来观察到的结果，并且在最近开始成形。
他的关键突破是一个称为表面能驱动的分子扩散的想法，该想法描述了雪晶的生长如何取决于初始条件和形成雪晶的分子的行为。
雪花生长。根据雪晶生长的新的模型，微观晶体成长为高的柱状结构或者平面需要被称作表面能驱动的分子扩散机制。插图来源：Lucy Reading-Ikkanda
想象一下，当水分子刚刚开始冻结时，其排列松散。如果从一个小的观察台来查看，你会看到冷冻的水分子开始形成一个刚性的晶格，其中每个氧原子周围有四个氢原子。这些晶体通过将周围空气中的水分子掺入其图案中而生长。它们可以在两个主要方向上生长：向上或向外生长。
当边缘的生长速度比晶体的两个面更快时，会形成薄而扁平的晶体（板状或星状）。迅速形成的晶体将向外扩散。但是，当其面的生长快于其边缘的生长时，晶体的生长会更高，从而形成针状，空心圆柱或棒状。
根据利波瑞特的模型，水蒸气首先沉积在晶体的角上，然后在整个表面上扩散到晶体的边缘或面上，导致晶体分别向外或向上生长。当存在各种表面效应和不稳定性相互作用时，哪个过程占主要作用取决于温度。
所有这些都仅在冰中发生，这种现象称为“预融化”。由于通常发现冰水温度接近其熔点，因此最上面的几层是无序的液体状。在表面和边缘上，预融化过程随温度的变化而不同，其细节尚未完全明晰。利波瑞特说：“这是整体模型的一部分。”他说整个物理图像是合理的。
他的模型是“半经验式”的，可以符合一部分观测的结果，但不足以利用第一性原理推导出最后的结果。无数分子之间的不稳定和相互作用十分复杂，以至于无法完全阐明。但是他希望他的观点可以成为雪花生长动力学整体模型的基础，该模型可以通过更详尽的测量和实验得到充实。
尽管冰生长机制尚不明晰，但在凝聚态物理中类似的问题还有很多。药物分子，半导体芯片，太阳能电池以及无数其他应用都涉及到了高质量晶体的生长过程，并有专门的研究人群致力于晶体生长的本质。
在芝加哥伊利诺伊大学工作的米内斯·辛格（Meenesh Singh）就是这样一位研究员。在最近的一篇论文中，辛格和他的合著者发现了一种新的机制，这种机制可能是溶剂中晶体生长的基础，而不是利波瑞特的冰和雪的相变结晶。在溶剂结晶中，固体物质溶解在水或其他液体等溶液中。通过调整温度和添加其他溶剂，可以结晶新的药物分子或为太阳能电池生产新的晶体，等等。
辛格说：“基本所有晶体生长的应用都是凭经验处理的，拥有某些经验数据，并使用这些信息试图解释晶体的生长方式。”但是他说，目前尚不清楚溶液中的分子如何整合到晶体中。 “是什么真正促使分子做到这一点？为什么要结晶？如果真正去想的话，你就会开始怀疑，会引发很多问题，而这些问题不会得到解决。”
利波瑞特相信，未来几年，更好的实验和更有力的计算机模拟将会回答有关晶体生长的许多问题。他说：“总有一天，你能够通过建立一个分子，甚至原子模型开始，观察到这些结晶现象，甚至可以观察到量子级别的现象。”
当他尝试解开其中的物理学之谜时，他仍然喜欢雪晶摄影和与之相伴的旅行。但是最近，他一直呆在阳光明媚的南加州，在那里他为自己的实验室组装了一个用于生长雪花的精密系统。现年 61 岁的他即将退休，这意味着，“我正在抛弃其他工作的束缚。从现在开始，我要去制冰。”
原文链接：
https://www.quantamagazine.org/toward-a-grand-unified-theory-of-snowflakes-20191219/
本文转载自公众号“中科院物理所”
（ID：cas-iop）
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