揭秘雪花結(jié)構(gòu)的人

葉青青

低垂的天空，烏云密布，不一會兒，一片片輕盈的雪花飄然而下，美麗的雪花落在了樹枝上、地上，讓大地一片銀裝素裹。而在100多年前，有一個業(yè)余攝影師正仰望著天空，癡迷于這些空中精靈。他對它們有種異乎尋常的熱愛，以至于花了一輩子時間去記錄雪花的美麗，成了世界上第一個給雪花拍照的人。他就是有“雪花男人”之稱的威爾遜·賓利。

賓利的冰雪世界

1865年2月，賓利出生于美國佛蒙特州的一個小農(nóng)村里。佛蒙特州春季短促多雨，冬季又漫長而寒冷，對賓利來說，生活卻并不無聊，因為大自然的一切都吸引了他的興趣。他喜歡觀察蝴蝶、樹葉和蜘蛛網(wǎng)。他每天記錄天氣情況，靜靜聆聽大自然里各種響聲。他利用自己的音樂天賦，在夏天的夜晚，用小提琴模仿鳥、蛙等動物叫聲，為村民們演奏。

在賓利15歲生日時，他的母親送給了他一個顯微鏡，這為賓利開啟了一個新的世界。在這個能放大物體的儀器下，從一滴水珠到鵝卵石，從一根羽毛到一片花瓣，都美得驚人。而最讓賓利著迷的是雪花。

雪花是由雪晶構(gòu)成，從書中，賓利了解到幾乎所有的雪晶都有六個類似的分支，少數(shù)非常罕見的雪晶會有三個分支。所以，他以為所有的雪花都是一樣的，但透過顯微鏡，他驚訝地發(fā)現(xiàn)，沒有兩片雪花是相同的，雪花最基本的形狀是六棱柱狀，還有扇盤狀，鄰近的棱柱表面之間長有與眾不同的指向邊角的脊。這些小精靈們?nèi)绱嗣利?，又如此?fù)雜，賓利驚嘆不已，他又感覺到無比遺憾，每一片雪花都沒有重復(fù)的設(shè)計，當(dāng)一片雪花融化后，這個設(shè)計就永遠消失了。

賓利渴望記錄雪花最深處的美麗，與人分享他見到的大自然奇跡。于是，在接下來的兩年時間里，他躲在農(nóng)舍后面的一個寒冷的房間里仔細研究，下雪了，會跑出屋子耐心地等待，直到他用羽毛捕獲雪晶，放在顯微鏡下放大，匆匆記錄下它們的結(jié)構(gòu)。雪晶在下落時會相互碰撞并粘在一起，形成雪花，但賓利幾乎總能在降雪中找到單獨的雪晶。然而，即使怕雪晶融化，賓利只能在-40℃的屋外畫畫，但雪晶還是會很快融化。在畫了數(shù)百幅素描圖后，賓利絕望地發(fā)現(xiàn)他根本沒法用筆繪制出雪晶的所有細節(jié)。

有一天，賓利偶然地從一本書中找到了解決方法：用顯微鏡拍照。他和母親說服了他的父親，買來了波紋管攝像機等設(shè)備。雖然賓利對攝影一無所知，失敗了一次又一次，但是他有異于常人的毅力與學(xué)習(xí)勁頭，慢慢地，他學(xué)會了如何在雪晶變形前快速捕捉它們，如何將攝像機指向天空來利用透射光，以及如何用大光圈來清晰地拍攝晶體，賓利發(fā)明的雪花拍攝方法，直到今天，仍然是現(xiàn)代人拍攝雪花的標(biāo)準(zhǔn)方法。

終于，1885年1月15日，在一次暴風(fēng)雪中，賓利拍攝了世界上第一張雪晶的顯微照片，他欣喜若狂，幾乎跪在雪地里，近乎虔誠地捧著這張珍稀的照片，這是他人生中最美好的時刻。

更多的研究工作

在接下來的十幾年里，賓利拍攝了超過400張的雪晶顯微照片。他不僅被雪晶的美吸引，還去科學(xué)地研究它們。賓利終于弄明白了為什么沒有兩片雪花是完全相同的，這是因為當(dāng)雪晶從云層中降落并融合成雪花時，它們會經(jīng)過不同溫度和濕度的區(qū)域，這些因素會使得雪花形狀各不相同。

也不是所有的水分子都是完全相同的，1000個水分子中大約有1個是不同的，因為它含有一種稀有的氫形式——重氫。而即使是一個小小的雪晶也有大約十億的水分子。在地球上每年有一萬萬億個雪晶下落，兩個雪晶擁有完全相同的水分子的幾率基本上是零。

此時，美國科學(xué)界對這個佛蒙特鄉(xiāng)下農(nóng)民的非凡成就一無所知。直到1898年，一位佛蒙特大學(xué)的大學(xué)教授聽說了賓利的故事，他說服賓利將自己的發(fā)現(xiàn)發(fā)表于《科普月刊》。正是這本刊物，打開了賓利創(chuàng)造力的大門，他開始迫不及待地想跟大家分享自己的發(fā)現(xiàn)。

1902年，是賓利創(chuàng)造力最膨脹的一年。他拍攝了超過200張顯微鏡雪晶照片，他在論文中向人介紹不同區(qū)域的暴風(fēng)雪會產(chǎn)生不同類型的雪晶，從晶體結(jié)構(gòu)中可以推測出風(fēng)暴內(nèi)循環(huán)模式。他還詳細地介紹了如何從晶體的形態(tài)變化中推測當(dāng)?shù)販囟鹊淖兓?，這一思想比當(dāng)時所有的氣象學(xué)家都要先進，直到30年后，日本氣象學(xué)家才發(fā)現(xiàn)了這一規(guī)律。

佛蒙特州的夏季多雨，賓利開始好奇雨水的問題。在他的時代，科學(xué)家們已經(jīng)對每天的降雨量進行了數(shù)百次的常規(guī)測量，但除了賓利，沒有人好奇一個關(guān)鍵問題：雨滴的大小。

雨滴落在地上就碎了，怎樣測量雨滴是個令人撓頭的問題。賓利利用他自己的農(nóng)舍里的現(xiàn)有材料。他從廚房里拿了些面粉，把它撒到一個平底鍋里，直到得到約一英寸深的一層。他把一鍋面粉暴露在雨中幾秒鐘。每個雨滴都吸收了一些面粉，形成了一個小面團球。當(dāng)面團球干了的時候，他測量了面團的直徑，而這大約就是雨滴的直徑。這一簡單有效的測量雨滴方法直到今天仍在使用。

從1898年到1904年，在7年的時間里，賓利測量了344次雨滴的大小。1904年，他在《科普月刊》上發(fā)表了關(guān)于雨滴和雨滴現(xiàn)象的科學(xué)論文，賓利在論文中提出的新思想和新的測量方法如此之多，以至于到今天仍舊沒有任何一篇類似的科學(xué)論文可以匹敵。

默默無聞的科學(xué)家

雖然賓利對雪花和雨水有著獨特的發(fā)現(xiàn)，但在科學(xué)界并沒有引起多少關(guān)注。也許這是因為當(dāng)時的氣象學(xué)家都是博士，他們不認(rèn)為一個沒上過大學(xué)的農(nóng)民也能發(fā)現(xiàn)大自然的真理。

但賓利從未停止思考。他和以往一樣對周圍的世界感到好奇。只不過他不再閉門研究，而是開始為公眾寫越來越多的文章，發(fā)表在諸如《鄉(xiāng)村生活》《國家地理》《大眾機械》和《紐約時報》等報刊上，向人們介紹他在雪晶、霜和露水世界中所看到的美麗與優(yōu)雅。他還開始去美國各地講座，向?qū)W校、博物館介紹他的雪晶作品和科學(xué)研究。

1920年，賓利開始以“雪花男人”的綽號聞名遐邇。珠寶商、雕刻家和服裝設(shè)計師們注意到了賓利的雪花作品，他們將它變成了一個個精美的藝術(shù)品。賓利一直忙于為外界提供最新的照片，同時繼續(xù)探索大自然的世界。他研究了極光，并做了它在北部天空中出現(xiàn)的詳細記錄。他每天做三次天氣觀測，記錄云的高度和類型。

賓利還是一個業(yè)余地質(zhì)學(xué)家，收集鄉(xiāng)村里的巖石標(biāo)本。他希望別人能看到大自然的美麗，他還為新鮮空氣基金捐款，希望讓城市的孩子們多來鄉(xiāng)村。賓利對雪晶晶瑩剔透的美麗的欣賞，延伸到對少女們那嬌美的面容，尤其是她們的微笑的喜愛。就像他給雪晶分類一樣，他還為微笑做了一個科學(xué)分類。

1924年，美國氣象學(xué)會授予了賓利第一筆研究資金，感謝他40年來耐心的氣象研究。這筆資金數(shù)額很小，但賓利并不介意，對于他來說，錢從來并不重要，這筆資金的最重要意義是他的研究終于被科學(xué)界認(rèn)可了。

1931年，賓利66歲了，雖然身體健康，但是行動很遲緩，他用這個陪了他46年的相機拍攝了他的第5381張雪晶顯微照片，這些雪晶照片，沒有一張是重復(fù)的，賓利拍攝得如此清晰，以至于在接下來近100年的時間里，沒有人再想著去拍攝雪花照片。

這一年的12月7日，賓利跟平時一樣，記錄了佛蒙特州的天氣，然而，在大雪中走了10千米，完成了“北風(fēng)、飛雪”的記錄后，賓利因感染肺炎病倒了，并于12月23日病逝。

今天，賓利拍攝的照片已被世界各地的學(xué)術(shù)機構(gòu)引用，而他終生居住的住所，被列入美國國家歷史古跡名錄。人們現(xiàn)在不僅知道他是第一個給雪花拍照的人，還知道他是美國第一個記錄雨滴大小的人。

（劉誼人摘自《百科新說》2018年第2期）