千姿百態的雪花

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“忽如一夜春風來，千樹萬樹梨花開”、李白的“地白風色寒，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。很久之前就有人發現，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》。本特雷所發表的這些照片，后來幾乎被世界各國所有的氣象工作者復制和利用。

為什么自然界的雪花千姿百態，各不相同呢？這個問題長期以來一直是個謎，也是醫學、生物學及冶金學等眾多領域的專家感興趣的問題?；蛟S人們會問，為什么這些領域的科學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，有助于幫助科學家解決這個問題。

最近，美國加州圣巴巴拉大學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，科學家們發現，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構，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，形成的晶體就千變萬化，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，它的生成環境是不穩定的。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、濕度以及雜質的影響都不相同?？茖W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，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證實了這一點。另外，計算機實驗還發現，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內容之一?？茖W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——數學與實驗齊頭并進。