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揭秘雪花结构的人

2018-03-19叶青青

大科技·百科新说 2018年2期
关键词:佛蒙特州宾利雨滴

叶青青

低垂的天空,乌云密布,不一会儿,一片片轻盈的雪花飘然而下,美丽的雪花落在了树枝上、地上,让大地一片银装素裹。而在100多年前,有一个业余摄影师正仰望着天空,痴迷于这些空中精灵。他对它们有种异乎寻常的热爱,以至于花了一辈子时间去记录雪花的美丽,成了世界上第一个给雪花拍照的人。他就是有“雪花男人”之称的威尔逊·宾利。

宾利的冰雪世界

1865年2月,宾利出生于美国佛蒙特州的一个小农村里。佛蒙特州春季短促多雨,冬季又漫长而寒冷,对宾利来说,生活却并不无聊,因为大自然的一切都吸引了他的兴趣。他喜欢观察蝴蝶、树叶和蜘蛛网。他每天记录天气情况,静静聆听大自然里各种响声。他利用自己的音乐天赋,在夏天的夜晚,用小提琴模仿鸟、蛙等动物叫声,为村民们演奏。

在宾利15岁生日时,他的母亲送给了他一个显微镜,这为宾利开启了一个新的世界。在这个能放大物体的仪器下,从一滴水珠到鹅卵石,从一根羽毛到一朵花瓣,都美得惊人。而最让宾利着迷的是雪花。

雪花是由雪晶构成,从书中,宾利了解到几乎所有的雪晶都有六个类似的分支,少数非常罕见的雪晶会有三个分支。所以,他以为所有的雪花都是一样的,但透过显微镜,他惊讶地发现,没有两片雪花是相同的,雪花最基本的形状是六棱柱状,还有扇盘状,邻近的棱柱表面之间长有与众不同的指向边角的脊。这些小精灵们如此美丽,又如此复杂,宾利惊叹不已,他又感觉到无比遗憾,每一片雪花都没有重复的设计,当一片雪花融化后,这个设计就永远消失了。

宾利渴望记录雪花最深处的美丽,与人分享他见到的大自然奇迹。于是,在接下来的两年时间里,他躲在农舍后面的一个寒冷的房间里仔细研究,下雪了,会跑出屋子耐心地等待,直到他用羽毛捕获雪晶,放在显微镜下放大,匆匆记录下它们的结构。雪晶在下落时会相互碰撞并粘在一起,形成雪花,但宾利几乎总能在降雪中找到单独的雪晶。然而,即使怕雪晶融化,宾利只能在-40℃的屋外画画,但雪晶还是会很快融化。在画了数百幅素描图后,宾利绝望地发现他根本没法用笔绘制出雪晶的所有细节。

有一天,宾利偶然地从一本书中找到了解决方法:用显微镜拍照。他和母亲说服了他的父亲,买来了波纹管摄像机等设备。虽然宾利对摄影一无所知,失败了一次又一次,但是他有异于常人的毅力与学习劲头,慢慢地,他学会了如何在雪晶变形前快速捕捉它们,如何将摄像机指向天空来利用透射光,以及如何用大光圈来清晰地拍摄晶体,宾利发明的雪花拍摄方法,直到今天,仍然是现代人拍摄雪花的标准方法。

终于,1885年1月15日,在一次暴风雪中,宾利拍摄了世界上第一张冰晶的显微照片,他欣喜若狂,几乎跪在雪地里,近乎虔诚地捧着这张珍稀的照片,这是他人生中最美好的时刻。

更多的研究工作

在接下来的十几年里,宾利拍摄了超过400张的冰晶显微照片。他不仅被雪晶的美吸引,还去科学地研究它们。宾利终于弄明白了为什么没有两片雪花是完全相同的,这是因为当雪晶从云层中降落并融合成雪花时,它们会经过不同温度和湿度的区域,这些因素会使得雪花形状各不相同。

也不是所有的水分子都是完全相同的,1000个水分子中大约有1个是不同的,因为它含有一种稀有的氢形式——重氢。而即使是一个小小的雪晶也有大约十亿的水分子。在地球上每年有一万万亿个雪晶下落,两个雪晶拥有完全相同的水分子的几率基本上是零。

此时,美国科学界对这个佛蒙特乡下农民的非凡成就一无所知。直到1898年,一位佛蒙特大学的大学教授听说了宾利的故事,他说服宾利将自己的发现发表于《科普月刊》。正是这本刊物,打开了宾利创造力的大门,他开始迫不及待地想跟大家分享自己的发现。

1902年,是宾利创造力最膨胀的一年。他拍摄了超过200张显微镜雪晶照片,他在论文中向人介绍不同区域的暴风雪会产生不同类型的雪晶,从晶体结构中可以推测出风暴内循环模式。他还详细地介绍了如何从晶体的形态变化中推测当地温度的变化,这一思想比当时所有的气象学家都要先进,直到30年后,日本气象学家才发现了这一规律。

佛蒙特州的夏季多雨,宾利开始好奇雨水的问题。在他的时代,科学家们已经对每天的降雨量进行了数百次的常规测量,但除了宾利,没有人好奇一个关键问题:雨滴的大小。

雨滴落在地上就碎了,怎样测量雨滴是个令人挠头的问题。宾利利用他自己的农舍里的现有材料。他从厨房里拿了些面粉,把它撒到一个平底锅里,直到得到约一英寸深的一层。他把一锅面粉暴露在雨中几秒钟。每个雨滴都吸收了一些面粉,形成了一个小面团球。当面团球干了的时候,他测量了面团的的直径,而这大约就是雨滴的直径。这一简单有效的测量雨滴方法直到今天仍在使用。

从1898年到1904年,在7年的时间里,宾利测量了344次雨滴的大小。1904年,他在《科普月刊》上发表了关于雨滴和雨滴现象的科学论文,宾利在论文中提出的新思想和新的测量方法如此之多,以至于到今天仍旧没有任何一篇类似的科学论文可以匹敌。

默默无闻的科学家

虽然宾利对雪花和雨水有着独特的发现,但在科学界并没有引起多少关注。也许这是因为当时都是气象学家都是博士,他们不认为一个没上过大学的农民也能发现大自然的真理。

但宾利从未停止思考。他和以往一样对周围的世界感到好奇。只不过他不再闭门研究,而是开始为公众写越来越多的文章,发表在诸如《乡村生活》《国家地理》《大众机械》和《纽约时报》等报刊上,向人们介绍他在冰晶、霜和露水世界中所看到的美丽与优雅。他还开始去美国各地讲座,向学校、博物馆介绍他的雪晶作品和科学研究。

1920年,宾利开始以“雪花男人”的绰号闻名遐迩。珠宝商、雕刻家和服装设计师们注意到了宾利的雪花作品,他们将它变成了一个个精美的艺术品。宾利一直忙于为外界提供最新的照片,同时继续探索大自然的世界。他研究了极光,并記录了它在北部天空中出现的详细记录。他每天做三次天气观测,记录云的高度和类型。

宾利还是一个业余地质学家,收集乡村里的岩石标本。他希望别人能看到大自然的美丽,他还为新鲜空气基金捐款,希望让城市的孩子们多来乡村。宾利对冰晶晶莹剔透的美丽的欣赏,延伸到对少女们那娇美的面容,尤其是她们的微笑的喜爱。就像他给雪晶分类一样,他还为微笑做了一个科学分类。

1924年,美国气象学会授予了宾利第一笔研究资金,感谢他40年来耐心的气象研究。这笔资金数额很小,但宾利并不介意,对于他来说,钱从来并不重要,这笔资金的最重要意义是他的研究终于被科学界认可了。

1931年,宾利66岁了,虽然身体健康,但是行动很迟缓,他用这个陪了他46年的相机拍摄了他的第5381张雪晶显微照片,这些雪晶照片,没有一张是重复的,宾利拍摄得如此清晰,以至于在接下来近100年的时间里,没有人再想着去拍摄雪花照片。

这一年的12月7日,宾利跟平时一样,记录了佛蒙特州的天气,然而,在大雪中走了10千米,完成了“北风、飞雪”的记录后,宾利因感染肺炎病倒了,并于12月23日病逝。

今天,宾利拍摄的照片已被世界各地的学术机构引用,而他终生居住的住所,被列入美国国家历史古迹名录。人们现在不仅知道他是第一个给雪花拍照的人,还知道他是美国第一个记录雨滴大小的人。

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