雪花的形成
雪花作为北方的独特产物,总是会把冬季的气氛推到高潮,每当下雪天的时候,我总想把这奇妙的天气现象联系到一些意向,让他有些象征意味,于是每次朋友圈会写出“愿你像雪花一样永远纯粹美丽“”林冲风雪山神庙“”鲁迅的雨的精魂“,人们总是把太多个人的定义映射于他的身上,在物理学家的眼中,雪花同样是复杂且美丽的存在——他的样子由简单的六重旋转对称的形状,被着迷于对称性的物理学家所惊叹,大自然怎么才能创造出如此有简单而对称的物质?
史蒂文温伯格在一篇短文《关于粉笔屑》中提到一个观点:在提问一个科学问题时,如果不停的追问为什么,解释的箭头最终一定会把我们引导到粒子物理的范畴。
其中就是举的粉笔屑的例子:
为什么粉笔是白色的?→解释:粉笔的光吸收性质导致显示白色。
为什么粉笔会有特殊的光吸收性质呢?→解释:这个问题与粉笔的分子组成有关;
同样费曼也在电视访谈中谈到类似的观点,其中有这样一段对话:
“露西住院了”
“她怎么了?”
“她在冰上滑到摔断了腿”
“她为什么会滑到?”
“因为你对冰施加一些压力,冰会融化,而露西在冰层上,冰的摩擦力很小,所以滑到了”
“为什么施加压力的话冰会融化?”
“这个问题很有意思,大部分物质不会这样,要解释这个问题需要用到量子力学”
“为什么她是倒了,而不是立起来”
“这是个有深度的问题……”
最终如果我们不停地问为什么,我们会被带到粒子物理及粒子物理无法解答的面前;
那么我们转回来看雪花之所以会形成这种六重旋转对称的形状,其根本原因还是追溯到其分子结构:分的分子性质以及结冰时水分子中的两个氢原子与一个氧原子连接的方式。分子堆在一起会形成规则的晶体网络,晶体网络中相互的分子内力会保证他呈现最稳定的结构,而这其中最稳定的结构是六边形,冰冻时,分子内力使水分子形成六角点阵,深层次的格点便形成了雪花最基础的形态——六重转动对称性。
分子间的作用力是在分子尺度上,他怎么变成宏观上的六棱柱形状,冰的六边形的晶体表面是某种平滑的表面,称为琢面,琢面非常光滑,不会有水分子吸附,这部分保持了冰的形象;而形成冰晶体首先是一粒粒子,我们可以把他成为种子,这粒种子通常是附着了水分子的尘埃,它具有不规则的表面,不规则的表面上有很多类似于钩子的形状,他们会把空气中漂浮的水分子钩住,钩住的水分子迅速抹平了种子的不规则的表面,抹平的表面变得光滑,无法吸附住水分子,生长速度变慢了,相应的种子便变成了六棱柱形状;
冰晶体看起来是六角螺丝的头,这个需要后续的成长,因为是六角形状,晶体的角会比边向空气伸出多一点,所以角的生长会更快一些,于是很快的的就长出了一些细小的须子,因为晶体周围的条件都一样,所有须子的生长速度都一样,这样冰晶体便长出来六重转动对称性结构,在大气条件下,温度变化不停,忽高忽低,晶体的生长条件取决于周围温度,所以随着时间变化,便形成了复杂美丽的形状,不管怎么变化,经理的每条须子都与其他须子在相同条件,所以晶体一直保持六重转动对称性。
最后得到就是一片片独一无二的雪花,大自然不会形成两片个完全一样的雪花,因为每片雪花都是有其与众不同的生长故事,只是所有雪花都有根本的六边冰晶格所拥有的六重转动对称性。
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