千姿百態(tài)的雪花

顏士州

雪花，潔白晶瑩，輕盈飄逸。自古以來，不知有多少文人雅士為它吟詩作賦。唐代岑參的“忽如一夜春風(fēng)來，千樹萬樹梨花開”、李白的“地白風(fēng)色寒，雪花大如手”等，都是膾炙人口的千古佳句。

雪花是美麗的，美麗之處在于它獨特的造型圖案。很久之前就有人發(fā)現(xiàn)，在大自然中沒有兩片完全相同的雪花，就像地球上沒有兩個完全相同的人一樣。20世紀初，美國一位名叫本特雷的科學(xué)家，他花了約50年的時間，借助一臺顯微鏡和一架照相機，年復(fù)一年地拍攝了4000多幅形狀各異的雪花照片，出版了一本《雪花目錄冊》。本特雷所發(fā)表的這些照片，后來幾乎被世界各國所有的氣象工作者復(fù)制和利用。

為什么自然界的雪花千姿百態(tài)，各不相同呢？這個問題長期以來一直是個謎，也是醫(yī)學(xué)、生物學(xué)及冶金學(xué)等眾多領(lǐng)域的專家感興趣的問題。或許人們會問，為什么這些領(lǐng)域的科學(xué)家會對雪花的圖形感興趣呢？原來，冶金工作者想了解晶體的生長速度和不規(guī)則形狀究竟是由什么因素決定的，因為這些因素對凝固后的合金的抗拉強度有著重要的影響。揭開雪花造型形成的奧秘，有助于幫助科學(xué)家解決這個問題。

最近，美國加州圣巴巴拉大學(xué)的理論物理研究者詹姆斯·蘭格博士，通過計算機模擬雪花圖案的程序，初步揭開了這個謎。通過研究，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，每片雪花約由10000顆聚集在一起的微小水滴組成。當這些水滴飄浮在空中時，起初都具有相同的對稱六角形結(jié)構(gòu)，但隨后便開始生成6個羽狀分支，使每片雪花具有完全不同的圖案花形。

據(jù)研究，雪花的形成過程與硫酸晶體的生長過程大致相仿。如果將一些懸掛在繩子上的硫酸銅晶體（也稱晶種）放入過飽和的硫酸銅溶液中，這些小晶體處于相同的溶液環(huán)境，最后形成的大晶體總是具有相同的形狀。但如果同樣的晶種放在各種不同濃度的硫酸銅溶液中，外部條件不同，形成的晶體就千變?nèi)f化，形狀各不相同了。

雪花是由微小的冰晶飄浮在大氣中吸收水分子生成的，它的生成環(huán)境是不穩(wěn)定的。在空氣中，雪花晶體吸收分子的速率取決于雪花向下飄落時大氣變化的情況。由于空氣氣流紊亂多變，使得每片雪花下落的途徑不同，而且每片雪花在不斷生成過程中受到的溫度、濕度以及雜質(zhì)的影響都不相同?？茖W(xué)家認為，溫度、濕度的一絲變化都會改變雪花的最終形狀。因此，雪花的圖案花形總是千姿百態(tài)，令人不可捉摸。當你再仔細觀察一下雪花，可以看到每片雪花中的6個分支并不完全對稱，但卻十分相似。這是因為每一片雪花中的分支，比起兩片雪花的形成過程，前者的生長條件是十分近似的。通過計算機的模擬實驗已經(jīng)證實了這一點。另外，計算機實驗還發(fā)現(xiàn)，在自然界的條件下形成一片美麗的雪花，可能需要幾個小時。

雪花圖形問題是新興的圖形形成學(xué)內(nèi)容之一?？茖W(xué)家認為，研究雪花圖形的最重要意義在于，人們找到并開始了一個新的研究方向——數(shù)學(xué)與實驗齊頭并進。