雪花如何形成一直是谜,这位物理学家想做一个拨开迷雾的人 - 科技行者

科技行者 1月3日 北京消息:Kenneth Libbrecht有一项宏伟的计划——在这个寒冷的冬季,离开温暖宜人的南加州,前往位于阿拉斯加的费尔班克斯。那里冬季气温几乎始终低于冰点,他穿上厚厚的派克大衣,捧着照相机外加一块泡沫板,席地而坐,静候天降大雪。

他在这里等待的,是自然界所能产生的最闪亮、最锐利、也最漂亮的雪晶。他说,超级雪花往往在最寒冷的地区形成,比如费尔班克斯或者白雪皑皑的纽约州北部。在整个研究历程中,他见过最优质的雪花产自安大略省东北部偏远的科克伦,那里风力很小,雪花几乎是直接从云层中掉落下来。

Libbrecht身处自然环境中,像考古学家一样耐心地审视着这块收集板,寻找最完美的雪花及其他晶体。他解释道,“这项工作需要用肉眼观察,找到高质量的雪花。如果板子上没有,就扫掉重来。整个过程需要重复几个小时。

Libbrecht是一位物理学家,他在加州理工学院的实验室里专门研究太阳的内部结构,并开发了先进的引力波探测器。但20年以来,Libbrecht对于雪花的研究热情始终没有消退——除了外观之外,他更关注形成雪花形状的内在原因。他感慨道,“看着这些从天上掉落的造物,我心里总在想,它们为什么会是这样的形状?

75年以来,物理学家们已经知道,雪花这种微小晶体主要分为两大类型。其一是标志性的扁平星形,含有 6 个或 12 个瓣,每一瓣又带有漂亮的晶状延伸,如万花筒般令人眼花缭乱;另一种则是圆柱形,其中一部分如同两块薄片晶夹起的三明治,另一部分则像是五金店里常见的螺栓。不同的雪花形状与环境、温度、湿度相关,但具体形成原因却一直是个谜。

多年以来,Libbrecht的艰苦观察让人们对于雪花的结晶过程有了更深入的了解。法国鲁昂大学材料科学家Gilles Demange对雪晶也很有兴趣,他评价:“Kenneth Libbrecht可以说是这一领域的「教主」。

现在,Libbrecht将自己的实地观察整理成一种新的结晶理论模型,力求解释雪花以及其他雪晶的形成方式与规律。在今年10月发表的论文中,他描述了水分子在凝固点附近的舞动态势,并根据这种分子的特定运动规律解释了不同条件下晶体的整个形成过程。在另一本长达540页的专著中,Libbrecht还描述了关于雪晶的全部知识。赖斯大学凝聚态物理学家Douglas Natelson评论这本论著时称其:“如环法自行车赛般充满艰辛。”

Natelson总结道,“不容易,但这项成果真的太棒了。

雪花

▲ 图:加州理工学院物理学家Kenneth Libbrecht,正在安大略省科克伦地区考察。当高质量的冰晶落在泡沫板上时,他会用小刷子将其拾取至玻片上,再通过显微镜观察。

关于六角星

大家可能都听过一句俗谚——“没有两片完全相同的雪花”,这一事实源自晶体在空中的结晶过程。雪的本质是一团冰晶的集合体,它在大气中形成,并在落下地面的过程中保留原形。只有当大气温度足够低,才会形成雪花,否则它们会融合甚至融化,最终变成雨夹雪或纯粹的雨滴。

尽管云层中的温度与湿度水平多种多样,但这些变量对于单片雪花而言几乎相当于常数。正因如此,雪花通常会形成对称性结构。另一方面,塔夫茨大学化学家Mary Jane Shultz在最近发表的一篇关于雪花物理学的论文中指出,每片雪花实际上都会受到风、曝光以及其他变量的影响,而“受到这些混沌因素的影响,每片冰晶的形状都会略有区别”。

尽管云层中包含了大量的温度和湿度等级,但这些变量对于一片雪花而言几乎是恒定的,这就是为什么雪花的生长通常是对称性结构。在另一方面,塔夫茨大学Tufts University)化学家Mary Jane Shultz在最近发表的一篇关于雪花物理学的论文中指出,每片雪花实际上都会受到风、曝光以及其他变量的影响。她解释称,当每片冰晶受到这些混沌因素的影响时,它们的形状都会略有区别。

雪花

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