本特利——给雪花照张相

曹则贤

我们的家园—地球—是宇宙中最特殊的星球，并且我倾向于相信它是唯一的。地球的一个特殊的地方是地表附近有水，在自然条件下可以表现出水的气、液、固三相。气相的水是无色的，但是如果密度够大也会被看见。雾和美丽的云彩可以看成是水的气液混合相。固相的水更是形态各异，包括冰（目前已确定16种不同晶体结构的冰）、霜、雪、冰雹、软雹（软雹下落过程中同上升的水蒸气之间的摩擦会造成带电，据信这是云彩带电的机制。具体细节尚不清楚）、雨夹雪等。雪片的大小在毫米量级，肉眼也能分辨出其星状结构，故有“雪花”的说法。纷纷扬扬的雪花，引起过多少人的遐思。

本特利（Wilson Alwyn Bentley，1865～1931）出生于美國佛蒙特州杰里科小镇，那里是著名的雪带，年降雪量高达300厘米。在农场里长大的本特利，从小就为蝴蝶、树叶、蛛网和雨滴着迷。15岁时，本特利收到了来自妈妈的生日礼物—一个小显微镜，这个本属平常的家庭温馨之举却成就了科学史上的一桩大事。本特利喜欢摄影，而家乡每每出现的漫天大雪激发了他强烈的好奇心。不知何时，他有了一个热切的愿望，要给雪花照张相。

1885年，19岁的本特利将显微镜加装到照相机上，于1月15日拍摄到他的第一张雪花照片。本特利拍摄雪花照片的意义之一是开启了显微摄影技术。显微摄影技术发展到今天已经达到了分辨原子像的本领，极大地促进了现代科学与技术的发展。就研究自然的必要性而言，实在的观察手段和抽象的思维能力是同样重要的。

成功获得了雪花照片让本特利对为雪花照相更加着迷。人们经常看到本特利站在风雪中，用羽毛或者绒布去接飘落的雪花，小心翼翼地把样品放到也是放在室外的照相机显微镜头下。本特利共获得过5000多幅雪花照片，在此过程中本特利完善了雪花摄影技术。本特利拍摄雪花照片的意义之二是激发了人们研究雪花的兴趣。

本特利从他的摄影作品中注意到，虽然雪花大体上都是六角的（用科学的语言说，是具有D6对称性），可是他却没拍到过两张一样的—“Every single snowflake is unique.”“每一片雪花都不同”的说法未必能让所有人信服，毕竟被拍摄的雪花数量有限，且“不同”的定义也是模糊的。但是，雪花能在保持六角对称的前提下表现出已知的那么多种不同形态，这已经够不可思议的了。

本特利1931年出版的《雪晶》（Snow Crystals）一书展现了2500余幅带有花边设计的雪花照片，其中六角对称却又风姿各异的雪花照片着实让人着迷。本特利写道：“在显微镜下，我发现雪花美得惊人，如果这种美丽无法看到，不能与人分享，就太可惜了。每片晶体都是一件杰出的设计作品，而且没有一片是重复的。一旦雪花融化，这个设计也就永远消失了。”

雪花的六角结构人们凭肉眼也能观察到，因此古人对此早就知道。中国汉代就有“雪花六出”的说法。德国数学家和天文学家开普勒则在1611年前后写下了《六角雪花》一书，阐述了关于雪花六角是因为其中的球形原子密堆积的猜测，从而有了关于密堆积的“开普勒猜想”。

雪花的形成过程和雪花形貌今天依然是困扰科学家的前沿课题。利用现代摄影技术，人们可以获得更加清晰、漂亮的雪花照片，更加深入地理解雪花的形成过程，但结果却是对雪花生长的原子过程和热力学愈加感到迷惑不解。

如今人们已经确定，在温度和水蒸气过饱和度这两个变量所构成的平面上的不同区域内，雪花具有大体上一致的独特形状。但是，为什么一片具体的雪花能保持整体上的六角形状却又拥有不一样的形貌，实在不容易理解。造成这种困难的一个原因是雪花形成过程中还伴随有空气中颗粒物的影响。在人们的印象中，水在0℃以下就会结冰。其实，水要结冰，首先要由一些水分子先形成一些纳米大小的冰核，即要求有个预先形核的过程。如果是纯水的话，所谓的同质形核要在-42℃以下才会发生。不过，如果水蒸气中含有固体微颗粒的话，水分子会凝结到颗粒上成核，这种异质形核不会要求那么低的温度。若冰核的尺寸达到10微米左右，就能继续生长成雪花了。这就是为什么在比0℃略低的天气就能看到飘雪的原因。雪花的形状与过冷水的异质形核过程和后续生长过程中水分子的附着都有关，由于这些过程都不好跟踪（水对现代分析技术来说是个很麻烦的对象），这其中的微观过程就一直未能确立。注意，对处于一定温度下的、具有一定过饱和度的水蒸气，人们可以通过播撒碘化银等物质的颗粒让水蒸气形核长成雨滴，也即我们掌握了人工增雨的技术，可是我们却不知道如何实现人工增雪。冬天的冻雨对于植物来说是灾难性的，如果有一天人们掌握了人工增雪技术，那无疑是地球人的福音，而这需要我们彻底地理解雪花的生长过程。

对美丽雪花的现代科学意义上的理解，始于一个农民的好奇心和追求。

本文选自《一念非凡—科学巨擘是怎样炼成的》。该书由外语教学与研究出版社出版，入选我社“中华优秀科普图书榜”2018年第一季度“成人原创”榜单。