終于下雪了！放大無數倍看雪花

《剪刀手愛德華》

據天氣預報，華北黃淮多地今日將迎來今年的第一場雪。

你有沒有近距離地看過一片雪花？

有沒有看著它工巧的構造，為大自然的秩序感到驚奇？

不過，關于雪花，還有許多我們肉眼看不清的秘密。前《自然》期刊資深編輯菲利普·鮑爾這樣講解：

“ 真相是，很多雪花的六個角并沒有那么對稱：六臂整體形狀相似，但細節各有不同。…… 同一場雪里降下的雪花也會有許多不同的形狀，取決于某一晶體形成時空氣中的確切條件。你可以把不同位置雪花的差異看作大自然被凍結的瞬間記錄。”

除了科普文字，在今天的文章中，你還能看見 前沿科學可視化團隊帶來的高技術微觀攝影，看見雪花令人驚嘆的B/C/D面。

這一切，都來自《化學之美》。

除了晶體之外，《化學之美》還帶領我們前往氣泡、沉淀、燃燒等10種現象內部的奇幻宇宙——

為什么有的材料透明可拉伸？花朵和火焰的顏色從何而來？晶體生枝、溶液分形，背后可有生機？

很多我們習以為常的平凡事物，其內部結構卻有一種絢爛驚人的美。化學不但是一門科學，也是一種觀看和認識世界的方式，不僅不會削弱我們理解事物時的驚奇感和愉悅感，反而還會讓世界“返魅”。

翻開書頁，便是一場絢麗的邂逅。

硫酸銅晶體

氫氧化鈷沉淀

硅酸鈉枝晶

硅酸鈉枝晶

電化學沉積產生的鋅晶體

氯化錫和鋅的置換反應中長出的晶體

氯化銨枝晶

重鉻酸鉀晶體

煙酸的分形晶體

鎂條燃燒產生的明亮火焰

鋰的燃燒

顯微鏡下的醋酸銅，

由醋作用于金屬銅形成

硝酸銅在硅酸鈉溶液中產生的化學花園

紫紅色的花在氫氧化鈉溶液中變色

品紅色康乃馨在稀鹽酸中的顏色變化

?? 繁茂：枝狀生長之樂

這些數不清的星狀小顆粒富有魔力，人眼根本無法看出它們隱秘而細微的瑰麗之處，而它們彼此間也千差萬別。人們始終懷著無窮的創造興致研究雪粒的變化和極其精細的成形，又始終遵循同一基本圖案，即等邊等角的六角形。可是每一粒……都極其規則，冷冰冰地整齊。

這這是托馬斯·曼1924年的小說《魔山》中，自我沉溺的主人公漢斯·卡斯托爾普在滑雪過程中因疲倦而快要睡著時，關于雪花形狀的思索。看起來卡斯托爾普似乎是被雪花的美迷住了，但實際上雪花讓他不安。

“它們太規則了，”他說，“組織成生命的任何物質從來沒有規則到這樣的程度，生命對它那恰到好處的精準感到戰栗，把它看成致死的因子乃至死亡的奧秘本身。”

他判斷，這一定是古代的建筑師故意不把建筑做得百分之百對稱的原因：為了引入一絲生命的活力。

雪花真正令人不安的地方，或許也正是它們如此美麗的原因：不太是它們對稱的幾何形狀，而是這些小小的冰質碎片似乎就處在打破這種對稱的邊緣。

普通的晶體呈整整齊齊的塊狀，但到了雪花像圣誕樹一樣的“臂”上，幾何結構卻開始瘋長，分出繁茂的枝杈，仿佛獲得了自己的生命一般。在1世紀的中國漢朝，就有人認為它們猶如植物，稱其為“雪花”。這種近乎生機的放縱再多一點點，秩序就會整個兒消失。大概正是這種特性被卡斯托爾普驚為“神秘莫測”。

多年來，科學家一直在思考雪花的問題。人就是無法忽視如此震撼的自然現象，尤其是17世紀發明了顯微鏡，把這種精致的創造清晰地展現在人們眼前之后。

這種“無窮無盡的創造興致”因何而成？大自然為什么需要它呢？

我們在前面提到過的德意志天文學家、數學家約翰內斯·開普勒曾嘗試解釋晶體的形狀，他也為雪花的形狀冥思苦想了很久，正是這些思考，催生了關于“結晶度”的絕妙直覺。1610年冬，在布拉格為神圣羅馬帝國皇帝魯道夫二世工作時，開普勒寫了一本小書《關于六角雪花》獻給他尊貴的贊助人作為新年禮物。在書里，他給自己提出了解釋雪花形狀的目標。他問道：

六這個數源出何處？誰先把冰核雕出了六個角，之后它才落下？是什么原因讓雪花表面在凝結的時候會從一個圓的六個點上伸出六個分枝？

我們已經知道，開普勒判斷，用“水小球”的堆積或可解釋雪花的六角對稱現象，但他竭盡全力也沒能解釋雪花的分枝現象。最后他顯然有點絕望了，只能援引“形成之能”這一神秘概念，稱這是上帝設計的一部分。“形成的原因不僅僅是某種目的，也可以是美觀，”他寫道，并愉快地補充，“它根植于享受每個轉瞬即逝的瞬間的習慣。”

可想而知，這對后世的科學家而言算不上什么解釋。19世紀中葉，著名生物學家托馬斯·亨利·赫胥黎清楚地表明，沒有人能援引某種神秘的“能”“靈”來解釋“水微粒如何被引導到晶體的某一面，或者白霜的‘葉芽’之間”。也就是說，一定是物理和化學的原理生成了這些神奇物體。

但那是怎么做到的呢？

在20世紀中葉以前，所有科學家還只能描述、記錄雪花的美而已。但在1885—1931年間，美國佛蒙特州的農場主威爾遜·本特利拍攝了數千張雪花的照片，并在1931年與氣象物理學家威廉·漢弗萊斯合作，將他這些精美照片出版為書籍《雪花晶體》。書中列出了化學法則催生的一系列奇跡，可以說是我們這本書的前身，而且也激發了眾多化學家思考掌管“雪花生長”的法則。雪花與植物的相似性也暗合了蘇格蘭動物學家達西·溫特沃思·湯普森關于自然界的模式及形態的巨著《生長和形態》中的描述：

雪花晶體的美依賴于其在數學上的規律性和對稱性，但單個類型竟能衍生出眾多變體，彼此有關又不盡相同，這極大增加了我們對它的喜愛與贊嘆。這種美正是日本藝術家在一片燈芯草或一叢竹子（尤其是被風吹過時）中看到的美，也是一簇花從含苞直到殘凋展現出來的階段之美。

這里的謎團并不僅限于雪花，雪花只是晶體生長過程中呈現出的一種普遍模式的最常見例證。雪花真正的獨特之處并不在于開普勒和他前前后后的人提出的六角形對稱，而是其單臂的樣貌：典型的針狀尖端，點綴著蕨類植物一般的重復分枝。

冶金學家早就知道這類結構也會出現在冷卻并凝固的液態金屬中，其形成過程被稱為“枝狀生長”，其英文詞來自希臘語的“樹枝”。枝狀生長也會出現在一類名為“電沉積”的化學過程中，這種反應是用浸沒在溶液中的電極產生的電流，將以離子形式溶于溶液中的金屬沉積出來的過程。

要解釋枝狀生長，就要回答兩個問題。

其一，為什么會形成針狀？為什么在熔融的金屬凝固之時，固態和液態間的界面不會像海浪那樣柔和延伸？是什么讓一部分固體跑在其他部分前面，形成一個手指狀的尖端？

其二，是什么讓這個尖端兩側又萌出分枝，看起來還往往像按照某種幾何規則排布，并形成特定的夾角？

答案在20世紀40年代到70年代之間斷斷續續地產生了。

枝狀生長產生的尖端和分枝是所謂的“生長不穩定性”的例子，簡單說就是穩步的生長讓位于某種不那么平穩而規律的東西。

生長不穩定性在我們周圍到處都有發生。沙漠表面的沙粒因風四處移動，產生規律排列的沙波紋和沙丘，即是一個例子，沙漠表面的某一處積累沙子的速度比別處更快。另一個生長不穩定性的例子是黎明時分蜘蛛網上凝結的露層縮成一列小液滴，宛如串在一條線上的珍珠。

枝狀生長根本性的不穩定于1963年被威廉·馬林斯和羅伯特·塞克卡這兩位美國科學家闡明。他們指出，首先是極微小的波紋隨機出現在處于凝固過程中的金屬的表面，并隨著熔融態金屬的冷卻而被放大，迅速前突，呈手指狀，并一邊生長一邊變細。

這是因為，這類突進能比固體的其他地方散熱更快，因此凝固也更快。這是一種正反饋過程：“手指”伸出越遠，長得也越快。

馬林斯和塞克卡意識到，這種形成尖端的過程會反復不斷地發生：針尖兩側會再分枝出針尖，后者又會繼續分枝。一不留神，就有了大量分枝。不過，分枝的最小尺寸有個限制，因為界面的表面張力有著反作用：要把表面拉平，就像它對杯子里的水面所做的那樣。

光憑這些，你可能會覺得分枝會隨機大量出現，更像一棵橡樹，而非圣誕樹。

但金屬和晶體結構自身背后的對稱性會使其分枝以特定的角度分裂出現：我們在第二章中看到，原子和分子會堆積成規律的幾何結構，而晶體的幾何結構會引導分枝出現的方向。因此，雪花的六角形狀，就是冰中水分子六方堆積的結果。其他晶體在生長的過程中會出現其他的角度，例如有些晶體的分枝會成直角萌出，因為它們晶體中的原子呈立方堆積。

這些道理直到20世紀80年代才被完全理解，出現了關于雪花形成的完善理論。

直到如今，科學家對晶體生長的某些方面仍不甚了解，例如很難解釋為什么雪花的六個角看起來如此相似：如果分枝都只是偶然萌出，就算它們傾向于沿六角方向產生，怎么會看起來都一樣？

不過，真相是，很多雪花的六個角并沒有那么對稱：六臂整體形狀相似，但細節各有不同。如果你習慣見到完美對稱的雪花，那是因為人們通常只選擇這些雪花的照片發出來，因為它們看起來最美。不過，這也表明，這些“完美”的雪花確實存在，而且我們也不清楚為什么每個分枝都“知道”其他分枝是什么樣的。

不僅如此，也不是所有雪花臂都呈經典的圣誕樹形狀，而是可能采取多種形狀。有時雪花臂上會裝飾六邊形的塊狀小冰片，有時整片雪花都長成單純的六邊形。隨著周圍空氣溫度和濕度的不同，雪花晶體在顯微鏡下會呈現出大相徑庭的形狀，尤其是各種六角形截面的棱柱形。同一場雪里降下的雪花也會有許多不同的形狀，取決于某一晶體形成時空氣中的確切條件。你可以把不同位置雪花的差異看作大自然被凍結的瞬間記錄。

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