雪花的奥秘

李峥嵘/文

《北京晚报》2023年12月31日第16版

岁末年初正是雪花纷飞的季节，你有没有仔细看过雪花是什么样的？每一朵雪花都不同，都是六角形的——这对今天的人们来说，是一个常识，但其实人们对雪花的认知从无到有、从粗到细，有一个漫长的历程。科普名家尹传红所著《由雪引发的科学实验》一书中讲述了这个跨越千年的观雪历程：

由雪引发的科学实验

尹传红 / 著

早在西汉文帝时代，诗人韩婴就指出:“凡草木花多五出，雪花独六出。”这见识比西方记录早了一千多年。可是在其后的中国古文献中，却没有人再去探究雪花何以是六瓣的。

NEWS

17世纪初，雪花也吸引了天文学家开普勒的目光。他注意到落在衣服上的一片雪花，并因此思考它不可思议的几何形状。他认为这不可能是巧合，且“原因不能通过材质寻找，因为水汽是无形且流动的，原因只能存在于某些机制中”。

数学家笛卡尔也曾在观察雪花的笔记里赞叹:“完美的六边形啊·边是如此直，夹角是如此精准……我绝对想象不出来，这些完全对称的六角小精灵如何在自由的空气与狂躁的风中悠闲地降生。”

★

遗憾的是，受限于当时所掌握的知识，开普勒和笛卡尔都未能对雪花六角形结构的成因做出准确、科学的解释。

显微镜发明之后，雪花成了大受欢迎的观察对象。显微镜专家列文虎克对雪花进行了细致的观察。接着，物理学家罗伯特·胡克也在1665年出版的《显微术》一书中，展现了他借助显微镜画出的雪花图片，并对雪花晶体结构进行了阐述。这被看作是人类首次具体记录雪花的形态。

1885年的一天，美国一个名叫威尔逊·本特利的农民，借助一台旧式显微镜，用照相机拍下了第一套雪花照片。他写道:“在显微镜下，我发现雪花真美啊，简直就是奇迹。每一片雪花结晶都是一件艺术杰作，没有哪两片雪花是完全一样的。当一片雪花融化时，那个图案也就永远消失了。”本特利许下心愿，用他的相机把美丽的雪花永久保存下来。几十年间，他总共拍摄了5381张雪花照片。这些精彩的图片使更多人注意到雪花的独特之处，也推动了科学研究的发展。

雪花六角形的秘密，是伴随着现代科学的发展而被逐渐揭开的。如今我们已然了解，雪花是一种冰晶的几何组成。由水分子构成的冰晶形状是由表面张力决定的，冰晶突起朝六个方向延伸，使得绝大多数（不是全部）雪花都呈现出六角形。更精细的研究表明：标准的六角形雪花只在零下15摄氏度以下才会形成；只有千分之一的雪花具有完美的六边对称性。

以上这些精彩的故事都出自《由雪引发的科学实验》，部分内容曾被2022年的全国语文高考乙卷节选为科学阅读的材料，当时实用类文本阅读给出了三则材料，分别是选自杨振宁的《对称与物理》、尹传红的《由雪引发的科学实验》和肯尼思·利布雷希特的《冰的形态发生:雪晶中的物理学》。这三篇文章都关涉同一个主题：雪花的六角形结构。要求考生作答的三道题，也由浅入深做了延伸，甚至问及关于雪花的思考对科学研究有什么意义，给我们带来哪些启示。尹传红认为，近年来，在全国各地高考的语文试卷中，科技创新和科普科幻相关题目出现的频率越来越高。他撰写的科普作品此番意外“撞”上，恰是一个明证。对于这道高考题，出题人的初衷，并非是要单纯考查考生们对雪花形状相关知识的了解。其着眼点，应是如何从观察、思考中发现问题，并运用科学思维探寻现象背后的本质，变“未知”为“已知”。在我们生活中很多看起来平常的事物暗藏玄机，常见的自然现象背后蕴含着科学的奥妙。探索的过程，往往也是科学精神的彰显。因此，他希望自己的科普写作能突破简单传播知识的层面，给予大众科学思维的熏陶。

例如，关于雪花的问题，《由雪引发的科学实验》还延展谈到开普勒在研究雪花的同时注意到了自然界中另外一种壮观的六边形结构——蜜蜂的蜂房:“结构是这样的，不但每个蜂房与同一排的6个蜂房共享6面墙，底部的3个平面与对面一排的蜂房也是共享的。”开普勒还把这种几何结构和石榴的种子相比较，将其形成归因于类似在圆形容器里的小球对称地挤压在一起的物理过程。在开普勒提出问题以后的3个世纪里，接连有不少研究者带着极大的兴趣去研究自然结构几何学中的经典例子:雪花、蜂房之外，还有蜘蛛网、海洋生物的壳以及植物中各部分的排列，甚至也包括云的形状、山的轮廓、岸边的细波、岬间沙湾冲出的曲线，并陆续把研究范围扩展到了寻找“自然界的几何特征”，探讨自然界的数学奇观。人们在多样性中，发现了一种隐藏的数学统一性。如一位博物学家所指出的那样，对肥皂泡和雪花形状的研究，揭示了多种放射虫（海洋中的一类单细胞原生动物）复杂多样的骨骼结构的物理基础。尹传红认为，这些跨学科思维，引领人类向着理解自然世界的复杂构成迈出了一大步。

试卷上的作家系列

由雪引发的科学实验

《由雪引发的科学实验》收录了尹传红的《超越时空的对“画”》《自我实现的预言》《科学阅读的人生启迪》《向大自然学习生命的智慧》《破案与科学探索》《通往红色星球的远征》《隐藏的因果链》等众多科普随笔。他从科学与人文视角思考了许多问题，并有意识地探索一种趣味性的表达方式、一种清新优雅的文风，既有时新的、前沿的知识点和看点，又有富于思辨与启迪意义的见解和观点。这本书不仅是科普文章的荟萃，也是一本面对中学生的科学阅读题集，涵盖高考语文试卷真题、模拟题、预测演练等。不是枯燥的习题集，而是有趣的随笔。是看书中如何对奇思妙想的科学解读、对新异事物的形象描述、对自然奥秘的探索引导、对创新创造的理性思考，都有助于青少年朋友拓展视野，增进对科学的兴趣和理解，而且也有益于锤炼思维，激发想象力和创造力，进而追求科学人生，实现自己的梦想。

《由雪引发的科学实验》作者简介

尹传红，科普时报社社长，中国科普作家协会副理事长，国家林业和草原局林草科普首席专家，科普中国智库专家委员会委员。著有《幻想：探索未知世界的奇妙旅程》《该死的粒子：理趣阅读司南》和“青少年创新思维培养丛书”等书。作品《由雪引发的科学实验》被选为2022年全国语文高考乙卷实用类文本阅读材料；《超越时空的对“画”》被用于多个省市的高、中考试题或模拟试题。获得过国家科技进步奖二等奖（科普类）、中华优秀出版物奖、“全国优秀科普作品”奖。曾被评为“全国优秀科技工作者”，被中国科协和人民日报社授予“典赞·2017科普中国”之“十大科学传播人物”荣誉称号。