事物的表象背后

文｜尹傳紅

打小癡迷科普科幻，書香悅讀一路相伴。分享科學奇美理趣，留下探索思考印記。

今年高考全國乙卷的語文試題中，實用類文本閱讀給出了三則材料，它們分別選自楊振寧的《對稱與物理》、尹傳紅的《由雪引發(fā)的科學實驗》和肯尼思·利布雷希特的《冰的形態(tài)發(fā)生：雪晶中的物理學》。這三篇文章都關(guān)涉同一個主題：雪花的六角形結(jié)構(gòu)。要求考生作答的三道題，亦由淺入深做了延伸，甚至問及關(guān)于雪花的思考對科學研究有什么意義？給我們帶來哪些啟示？

不少人已經(jīng)注意到，近年來，在全國各地高考的語文試卷中，科技創(chuàng)新和科普科幻相關(guān)題目出現(xiàn)的頻率越來越高。我本人撰寫的科普作品此番意外“撞”上，恰是一個明證。對于這道高考題，我想，出題人出題的初衷，并非是要單純考查考生們對雪花形狀相關(guān)知識的了解。其著眼點，應是如何從觀察、思考中發(fā)現(xiàn)問題，并運用科學思維探尋現(xiàn)象背后的本質(zhì)，變“未知”為“已知”。

這樣的一個探索過程，往往也是科學精神的彰顯。展開了說，我們的科學普及和科學教育，如能跨越簡單傳播知識的層面，給予受眾方法、思想上的熏陶，其傳播效果無疑會更好，意義亦當更為深遠。

回到雪花形狀這個科學主題。楊振寧先生的文章提及，早在公元前一百多年的西漢文帝時代，有位名叫韓嬰的詩人就在《韓詩外傳》中指出：“凡草木花多五出，雪花獨六出。”這見識比西方足足早了一千多年。可是在其后的（中國）古文獻中，卻沒有人再去探究雪花何以是六瓣的。

17世紀初的一天，德國天文學家、行星運動定律的創(chuàng)立者約翰內(nèi)斯·開普勒，在穿過一座大橋時留意到落在他衣服上的一片雪花，開始思考：雪花為什么會呈現(xiàn)出六角形的幾何形狀？他認為這不可能是巧合，且“原因不能通過材質(zhì)尋找，因為水汽是無形且流動的，原因只能存在于某些機制中。”

受限于當時所掌握的知識，開普勒未能對雪花六角形結(jié)構(gòu)的成因做出準確、科學的解釋，但他思考問題的“方向是很有意思的”（楊振寧語）。他想要弄清楚形成六角形的動因是什么？他同時注意到自然界中另外一種壯觀的六邊形結(jié)構(gòu)——蜜蜂的蜂房：“結(jié)構(gòu)是這樣的，不但每個蜂房與同一排的6個蜂房共享6面墻，底部的3個平面與對面一排的蜂房也是共享的。”他還把這種幾何結(jié)構(gòu)和石榴的種子相比較，將其形成歸因于類似在圓形容器里的小球?qū)ΨQ地擠壓在一起的物理過程。

事物的表象背后，往往隱藏著自然之理。在開普勒提出問題以后的3個世紀里，接連有不少研究者帶著極大的興趣去研究自然結(jié)構(gòu)幾何學中的經(jīng)典例子：雪花、蜂房之外，還有蛛蛛網(wǎng)、海洋生物的殼以及植物中各部分的排列，甚至也包括云的形狀、山的輪廓、岸邊的細波、岬間沙灣沖出的曲線，并陸續(xù)把研究范圍擴展到尋找“自然界的幾何特征”，探討自然界的數(shù)學奇觀。這些跨學科思維的引領(lǐng)，使得人類向著理解自然世界的復雜構(gòu)成邁出了一大步。

雪花六角形的秘密，是伴隨著現(xiàn)代科學的發(fā)展而被逐漸揭開的。如今我們已然了解，雪花是一種冰晶的幾何組成。由水分子構(gòu)成的冰晶形狀是由表面張力決定的，冰晶突起朝六個方向延伸，使得絕大多數(shù)（不是全部）雪花都呈現(xiàn)出六角形。更精細的研究表明：標準的六角形雪花只在零下15攝氏度以下才會形成；只有千分之一的雪花具有完美的六邊對稱性。