走进科学
我们还未知道那天看到的雪花的晶体成型机制
Kenneth Libbrecht是个怪人，每到冬季中旬，他就欢天喜地地离开南加州，前往阿拉斯加的费尔班克斯(Fairbanks)这样的地方，拿着照相机和一块泡沫板，等着下雪。
具体来说，他在寻找自然界中最闪亮、最锐利、最美丽的晶体——雪花。他说，在最寒冷的地方往往可形成优质薄片，如费尔班克斯和白雪皑皑的纽约州北部。他发现的最完美雪花出现在安大略省东北偏远地区的科克伦(Cochrane)，那里阴天时，一般无风。
Libbrecht在元素的指引下，凭借考古学家般的耐心，等待着雪花落在泡沫板上。他是个物理学家。他在加利福尼亚理工学院的实验室研究太阳的内部结构，并开发了用于检测重力波的先进仪器。但是20年来，Libbrecht一直对雪充满热情——不仅是雪花的外观，还有造成雪花晶体形状的原因。
75年以来，物理学家已知道微小的雪晶体可分为两大主要类型。一是标志性的扁平星状，有6或12个顶点，每个点都饰有相匹配的花边分支，令人眼花缭乱。另一是圆柱体，有时被平顶帽夹在中间，有时类似于五金店的螺栓。这些晶体的形状受温度和湿度的控制，但具体成型机制始终是个谜。
多年来，Libbrecht的艰辛观察使人们对雪的结晶过程有了深入的了解。“他是该领域理所当然的教皇。”法国鲁昂大学的材料科学家Gilles Demange介绍说。
如今，Libbrecht提出了一个模型，试图解释雪花和其他晶体的结晶行为。他不但发表了系统的论文，在另一本540页的专著中，Libbrecht详细描述了有关雪晶的全部知识。赖斯大学的凝聚态物理学家Douglas Natelson称新专著为本学科的百科全书。
雪花六角星
每个人都知道没有哪两片雪花是相同的，这一现象的根源在于水结晶过程中，在天空中蒸发的方式。尽管同一块云在不同的位置具有不同的温度和湿度，但就单个雪花而言，温度和湿度基本可以看做是常数。这就是为什么雪花是对称的。另一方面，塔夫茨大学化学家Mary Jane Shultz指出，雪的结晶过程受到风、日光和其他变量的影响。她解释说，晶体终归屈服于云层中的混乱条件，导致不同的雪花具有不同的晶体图样。
1611年，开普勒为他的赞助人、神圣罗马帝国的皇帝鲁道夫二世准备的新年礼物：一篇名为《六角雪花》的论文。开普勒写道：“肯定有一个成因，为什么雪花是六角星状。这不可能纯粹出于偶然。”
开普勒猜想，六角星状，使雪花具备了某种极值稳定性——如利用最小的体积固定更多的水。
这是对原子物理学的杰出洞见，尚需300年的时间才能予以验证。实际上，两个氢和一个氧的水分子往往会锁在一起形成六边形阵列。开普勒和他的同时代人尚无法窥知其重要性。
除了促使雪花晶体的生长外，六角形结构还使冰的密度低于液态水！否则，就不会出现如今的生命形式。
开普勒之后，观察和记录雪花仍属业余爱好，而非科学。在1880年代，来自佛蒙特州、因寒冷而能获得高质量降雪的杰里科村庄的美国摄影师Wilson Bentley，用照相底片制作了第一张雪晶影像。在最终死于肺炎之前，他制作了超5000幅晶体图像。
到1930年代，日本研究员Ukichiro Nakaya开始了了对雪晶的系统研究。到本世纪中叶，Nakaya在实验室里制造雪花，用兔子的绒毛将冰晶体悬浮在低温空气中，在那里它们可以长成成熟的雪花晶体。他变动湿度和温度条件，获得了两种主要的晶体类型，并开创性地编制了各种可能形状的目录。Nakaya发现，往往在-2和-15°C下形成星状。在−5 和-30°C下形成柱状。在低湿度下，星星状很少形成分支，类似六边形板；在高湿度下，星星长出更复杂、更花哨的边角，。
Libbrecht认为，在Nakaya的开创性的工作之后，我们可以将前提条件和具体结果对应起来，但从条件得到结果的物理过程，还不清不楚。
雪花机制
Libbrecht和一小群研究人员一直试图给出物理模型，即一组方程和参数，可以输入到超级计算机中，然后吐出各式各样的雪花。
关键性的突破来自于被称为表面能驱动的分子扩散思想——描述了初始条件和分子行为如何决定了晶体的生长方向。
想象一下，水分子刚刚开始冻结，分子之间排列松散。如果能够以某种方式直接观察它，您会看到冷冻的水分子开始形成刚性的晶格，每个氧原子被四个氢原子包围。晶体通过拉扯周围空气中的水分子实现生长。主要生长方向：向上或向外生长。
当边缘以比晶格的上下平行面更快的速度拉拢游离水分子时，形成薄而扁平的晶体(板状或星状)。成型晶体向外扩张。但是，当其面的生长速度快于边缘时，晶体开始长高，从而形成空心圆柱体。
根据Libbrecht的模型，水蒸气首先沉积在晶体的角上，然后扩散到边缘或表面，导致晶体分别向外或向上生长。当各种表面效应和不稳定性相互作用时，胜出者主要取决于温度。
所有这些过程仅会出现在冰晶体(一种不寻常的晶体)中，因为这种现象被称为“预融化”。由于通常的水冰接近其熔点，因此最上面的几层是液态且无序的。预融化速度在表面和边缘上随温度的变化而不同，尽管细节尚未完全清晰。
新模型是“半经验的”，需要调节各项参数匹配实际的观测结果，而不是完全从最初原理出发，推导出雪花结晶的过程。无数分子之间的不稳定性和相互作用太过复杂，以至于难以阐明。但他希望，新模型成为之后完整的冰生长动力学模型的基础。
尽管雪花看起来无足轻重，但其中的难点和凝聚态物理中的普遍问题相似。药物分子、半导体芯片、太阳能电池以及无数其他应用都依赖于高质量的晶体，而研究人员又将全部精力集中到晶体生长的基础机制之上。
Meenesh Singh是芝加哥伊利诺伊大学的一名研究员。他说：“有关晶体生长的所有应用都是经验性的。……”
Libbrecht相信，更好的实验和更高级的计算机将能够回答有关晶体生长的许多问题。当他继续在物理学中跋涉时，他仍然喜欢为雪花摄影和旅行。但是最近，他一直呆在阳光明媚的南加州，他在实验室里建起了研究雪花晶体生长的精密系统。现年61岁的他即将退休，他说，这意味着，“我可以做我想做的事了。从现在开始，我要去搞雪花。”
本文译自 quantamagazine，由 majer 编辑发布。