没有两片雪花真的一样吗？如果不一样，为什么不一样呢？

雪晶的发育是复杂但确定性的，所以我们真的可以说没有两片雪花是相同的吗？

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本文首次发表于我们的免费数字杂志第 17 期好奇。

人们说没有两片雪花是相同的，但是，当你仔细想想，怎么可能有人知道这一点呢？事实是你不能，原因我们稍后会深入探讨，但我们可以知道的是，你在野外获得两片相同雪花的机会几乎为零。为什么？因为它们的形成过程非常特定于环境。

雪花可以是从冬季云朵上落下的任何旧斑点，但当我们谈论遍布节日装饰的个体结构时，我们谈论的是雪晶。这些精致的晶体根据温度以特定的模式形成，是水从气体（蒸汽）直接冻结成固体（冰）而不首先变成液体的结果。当水滴结冰时，就会形成我们所说的雨夹雪。

最大的雪晶可能需要长达 45 分钟的时间才能形成，这为环境条件的改变和塑造其发展提供了一个大窗口。事实证明，经典的圣诞“星星”雪花只是这些晶体可以呈现的多种形式之一，并且在细节中存在着近乎无限的变化。

雪花的形状

雪花是分阶段发育的，随着它长出新的枝条，直径逐渐增大，我们在雪晶中看到的六重对称性是由于水分子在晶格内的排列方式造成的。起点是三维六边形，但这可以是长柱或平板。它们通常发育缓慢且对称，但同时保持较小的尺寸。

但是，六边形并不是卡片上唯一的形状。

“大多数雪花是六角形的，但有时它们的形状更像是三角形，在极少数情况下，它们几乎是完美的等边三角形，”加州理工学院物理学教授 Kenneth Libbrecht 博士告诉 Science-News.dev。 “大约 150 年前，它们首次被记录下来，我在外面见过它们很多次。为什么它们是三角形的？谜题的一部分在于，当你看到一个时，你很可能会看到另一个，所以它们确实聚集在一起，但没有人对此做出解释。 ”

幸运的是，利布雷希特想出了一个办法。二十多年来，他一直致力于解开围绕雪晶体背后科学的许多谜团。一项主要成就是建立了一个模型，可以解释为什么不同的温度会产生不同的晶体形状，这在他第一次出发时还是一个谜。

“这是一个似乎应该有人来解决的难题。这让科学界感到尴尬，因为我们不知道它是如何运作的。我的意思是，这些东西是从天上掉下来的，”他继续说道。

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三角形雪花聚集是因为它们需要非常窄的环境条件窗口才能发生，即在 -14°C (7°F) 和适当的湿度下，产生适量的不稳定性以产生另一种晶体形状。利布雷希特的模型向他指出了这些参数，当他在实验室中尝试它们时——嘿，很快，三角形的雪花。

该模型取决于这样一个事实：冰的表面结构取决于温度，并且它可以在顶层熔化的地方进行表面预熔化，从而改变此处发现的分子的迁移率。虽然所有下落的雪晶都会经历表面预融化，但它们不会同时经历这个过程，因为它们在下落过程中经历的湿度和温度的微变化不会相同，因为它们不会落下同时走相同的路径。

那么有很多变化。那么，是时候提出一个大问题了吗？

没有两片雪花是一样的吗？

“我想说这有点像禅宗公案，”利布雷希特说，他指的是佛教僧侣在启蒙之路上必须解决的“矛盾问题”。 “是否没有两片雪花是相似的，这取决于你所说的相似到底是什么意思。雪花是什么意思？在实验室里，我们制作了非常非常小的雪花，其直径只有人类头发的直径，其中大多数只是简单的六边形，而且它们看起来都很相似。 ”

“那些微小的晶体也在外面，如果你看到它们，它们看起来很像，但它们非常小。如果你观察这些巨大的恒星晶体，就会发现它们非常复杂。复杂性来自于它们生长的条件[…]你可以估计制作雪花有多少种不同的方法，这只是一个天文数字。 ”

Libbrecht 将其比作洗一副牌并计算再次进行完全相同的 52 次抽牌的机会。我们不能肯定地说它永远不会发生，但可能性非常小，几乎是不可能的。

发现两片野生的“相同”雪花也是如此——正如利布雷希特稍后指出的那样，无论如何，这个词可能是错误的。除了两个晶体以相同方式发育的荒谬可能性之外，您在外面捕获它们的机会吗？现在这绝对是零。

两片雪花可以是一样的吗？

野外的两片雪花不太可能以完全相同的方式落下，在完全相同的时间遇到完全相同的条件，最终形成完全相同的结构。但在实验室呢？好吧，利布雷希特就是这么做的，他创造了他所谓的“同卵双胞胎”。

“我称它们为同卵双胞胎雪花，因为“相同”这个词有点含蓄，”他说。 “有些人会认为这与最后一个分子都是相同的，但事实并非如此。所以，我想说他们有点像同卵双胞胎：他们并不完全相同，但他们看起来比你想象的要相似得多。

“这样做的方法是，我只需将一块晶体放在一块玻璃上，然后将热空气吹到其顶部，然后我只需改变温度和湿度就可以改变生长条件[…]因为它们是固定的，这有点像让两个晶体沿着完全相同的路径穿过大气层。 ”

“我可以让他们改变，他们会同时以同样的方式改变。它告诉你，增长是我们所说的确定性的。这并不是非常随机的。这主要是由外部条件决定的，如果你能提供相同的外部条件，那么你会得到看起来非常非常相似的雪晶。 ”

如果你在野外发现过这种情况吗？好吧，这将是一个圣诞节奇迹。

如何识别雪花

就像观鸟一样，雪晶爱好者观察雪花，看看它们能识别出哪些晶体结构。想尝试一下吗？以下是 Libbrecht 的一些重要提示：

• 穿一些保暖的深色袖子——你需要一个背景来让你的雪晶降落在上面。
• 拿一个放大镜 – 5 倍就可以了，而且价格不到 5 美元。
• 了解你的雪花——就像你需要了解物种才能看到鸟类一样，你必须先了解你的雪晶，然后才能在野外发现它们。利布雷希特撰写了他所谓的“雪花实地指南”，或者您可以在他的网站上找到不同类型的照片和视频。

然后，您所需要的只是一些寒冷的天气和一点耐心。

CURIOUS 杂志是 Science-News.dev 的一本数字杂志，内容包括采访、专家、深入研究、有趣的事实、新闻、书籍摘录等等。 第 17 期现已出版。