人们被雪花的美丽所吸引，大自然有一种神奇的秩序，让雪花呈现出六角对称的美丽形态，生长出六个精致的分枝。几个世纪以来，人们一直在探索雪花结构的生成原理，类似的结构也出现在其他晶体中。直到上世纪中期，这些谜团才逐渐被解开，但仍有许多问题困扰着科学家。
摄影 | 朱文婷、梁琰
翻译 | 丁家琦
理解某个事物的科学原理并不会削弱我们对它的惊奇感和愉悦感，反而会增加。
——理查德·费曼
生长的硅酸钠晶体形成的分形状分枝图案，这些数不清的星状小颗粒富有魔力，人眼无法看出它们隐秘而细微的瑰丽之处，彼此间也千差万别。人们始终怀着无穷的创造兴致研究雪粒的变化和极其精细的成形，又始终遵循同一基本图案，即等边等角的六角形。可是每一粒……都极其规则，冷冰冰地整齐。
这是托马斯·曼在1924年的小说《魔山》中，主人公汉斯·卡斯托尔普在滑雪过程中边打盹边思索雪花形状时的想法。看似卡斯托尔普似乎被雪花的美所迷住了，但实际上雪花让他感到不安。“它们太规则了，”他说，“成生命的任何物质从来没有达到这样的规则程度，生命为这种恰到好处的精准感到战栗，把它看作致命的因子乃至死亡的奥秘本身。”他判断，这一定是古代建筑师故意建造得完美无缺的原因：为了引入一丝生命的活力。
雪花真正令人不安的地方，也许正是它们如此美丽的原因：不是它们对称的几何形状，而是这些小小的冰质碎片似乎处于打破这种对称的边缘。普通的晶体呈现整整齐齐的块状，但到了雪花像圣诞树一样的“臂”上，几何结构开始疯狂生长，分出繁茂的枝杈，仿佛获得了生命一般。在1世纪的汉朝，就有人认为它们犹如植物，称其为“雪花”。这种近乎生机的放纵再多一点点，秩序就会整个儿消失。大概正是这种特性被卡斯托尔普惊为“神秘莫测”。
多年来，科学家一直在探索雪花的问题。无法忽视如此震撼的自然现象，尤其是17世纪发明了显微镜后，这种精致的创造清晰地展现在人们眼前之后。这种“无穷无尽的创造兴致”因何而成？大自然为什么需要它呢？天文学家、数学家约翰内斯·开普勒曾尝试解释晶体的形状，他也为雪花的形状冥思苦想了很久。在1610年冬，为神圣罗马帝国皇帝鲁道夫二世工作时，开普勒写了一本小书《关于六角雪花》献给他尊贵的赞助人作为新年礼物。在书里他给自己提出了解释雪花形状的目标。他问道：六这个数源出何处？谁先把冰核雕出了六个角然后才落下？是什么原因让雪花表面在凝结的时候会从一个圆的六个点上伸出六个分枝？
我们已经知道开普勒判断用水小球的堆积可以解释雪花的六角对称现象但他竭尽全力也没能解释雪花的分枝现象最后他显然有点绝望只能援引形成之能的神秘概念称这是上帝设计的一部分。它根植于享受每个转瞬即逝的瞬间的习惯。
硝酸银和铜的置换反应生成的银枝晶其形状宛如雪花通过对这些晶体的观察我们可以更深入地理解雪花的生长过程。尽管如此这对后世的科学家而言算不上什么解释。19世纪中叶著名生物学家托马斯·亨利·赫胥黎清楚地表明没有人能援引某种神秘的“能”“灵”来解释“水微粒如何被引导到晶体的某一面或者白霜的叶芽之间”。也就是说一定是物理和化学的原理生成了这些神奇物体。
但那是怎么做到的呢？在20世纪中叶以前所有科学家还只能描述记录雪花的美而已但在1885-1931年间佛蒙特州的农场主威尔逊·本特利拍摄了数千花的照片并于1931年与气象物理学家威廉·汉弗莱斯合作将他这些精美照片出版为书籍《雪花晶体》书中列出了化则催生的一系列奇迹可以说是我们这本书的前身而且也激发了众多化学家思考掌管雪花生长法则。雪花与植物的相似性也暗合了苏格兰动物学家达西·温特沃思·汤普森关于自然界的模式及形态的巨著《生长和形态》中的描述：雪花晶体的美依赖于其在数学上的规律性和对称性但单个类型竟能衍生出众多变体彼此有关又不尽相同这极大增加了我们对它的喜爱与赞叹。这种美正是日本艺术家在一片灯芯草或一丛竹子尤其是被风吹过时中看到的美也是一簇花从含苞直到残凋展现出来的阶段之美。
这里的谜团并不仅限于雪花雪花只是晶体生长过程中呈现出的一种普遍模式的最常见例证开普勒和他前后的人提出的六角形对称并非雪花的
