文章来源：“环球科学” （id：huanqiukexue）
撰文 | 冬鸢 审校 | 王怡博
肯尼斯·利布雷希特（Kenneth Libbrecht）教授在实验室中制造的雪花，周围的黑色小点都是微小的水滴，雪花在生长过程中会吸收周围的水分子，迫使这些小水滴蒸发。一片雪花的形成过程大约会使100 000个这样的小水滴蒸发。（图片来源：SnowCrystals.com）
雪花有着极具对称性的分形之美，总让艺术家们在惊叹之余又自叹不如。可惜，人类肉眼的局限性让我们就算身处纷飞大雪，也难以即时细致欣赏某一片雪花的精巧结构。这时候，你或许会想：如果雪花再大一点，大到每一个细节都清晰可见就好了。
那么世界上最大的雪花有多大呢？
吉尼斯世界纪录官方网站上，对世界上最大雪花的描述是：
在这里放一张奶锅的图片，大家感受一下这个雪花到底有多大：
奶锅（图片来源：unsplash）
可惜并没有影像纪录下这个巨型雪花的尊容，我们也没办法去探究它的尺寸的真实性。但如果我们继续阅读吉尼斯世界纪录官方对该条目的描述，可以看到下面还有一段话：
很幸运，这片雪花被这位利布雷希特教授拍摄下来了，它长这样：
10毫米宽的由单个雪晶形成的雪花（图片来源：SnowCrystals.com）
所以这片10毫米宽的雪花和上文提到的1887年那片雪花，具体区别是什么呢，为什么吉尼斯世界纪录官方要分别列举出来呢，是因为官方也怀疑“比奶锅还大”的雪花是不是真的存在吗？
广义雪花VS狭义雪花
10毫米雪花的发现者利布雷希特，是美国加州理工大学的物理学教授，对雪花研究颇深，在接受一次采访时，他表示，那个比奶锅还要大的雪花是可能存在的——不过这取决于你怎么定义“雪花”（snowflakes）。
狭义的“雪花”指单个雪晶（snow crystal），即由水分子凝结成的六角形单晶冰，常显示出我们较为熟悉的六重对称的雪花特征；而当很多这样的雪晶从高空落下时，它们可能会彼此碰撞、结合，共同生长成为一个包含多个雪晶的聚集体，这样的聚集体便可以被称作广义上的“雪花”。
六重对称的雪花结构（图片来源：SnowCrystals.com）
因此，降落在克拉克河谷的那片38厘米宽、20厘米厚的雪花，更有可能是由成百上千个雪晶聚集而成的广义“雪花”。利布雷希特表示，这种尺寸的广义雪花尽管稀有，但不是不可能存在。
而对于由单个雪晶形成的狭义“雪花”，通常都十分之微小。不过在实验室中，可以制造出尺寸相对较大的雪晶，那片宽10毫米的雪花便出自利布雷希特的实验室。除它之外，利布雷希特还造出过许多其它可用肉眼欣赏的狭义“雪花”，下图是这些雪花与一美分硬币的尺寸对比图：
利布雷希特造出的雪花与一美分硬币大小比较（图片来源：SnowCrystals.com）
研究天体物理的“艾莎公主”
利布雷希特或许是当今世界上最了解雪花的人了。
肯尼斯·利布雷希特（Kenneth Libbrecht，图片来源：Caltech）
大约在三十年前，利布雷希特还是一名研究太阳和引力波的天体物理学家。某一天（可能是在上班摸鱼的时候），他阅读了一篇关于雪花的文章，里面列出了各种常见的雪花结构。一种长得像线轴的雪花——中间是柱状，两端是片状——引起了他的兴趣。
线轴状的雪花（图片来源：Caltech/Libbrecht）
作为一个生活在每年冬天都被大雪覆盖的城市的人，利布雷希特竟然不知道雪花还能是这种形状。于是，他下一次回家时，特地拿了一个放大镜到雪地里去，仔细观察飘落的雪花，果然，他真的发现了线轴形状的雪花，此外他还观察到了许多其它奇形怪状的雪花。
部分典型雪花的形状（图片来源：SnowCrystals.com）
这之后，利布雷希特对雪花的热爱开始一发不可收拾。他在实验室中建立了一套装置，以此制造雪晶并让它们在可操控的环境中生长。他只需要不断调整装置的温度和湿度，就可以让雪晶按预想的方式生长，由此得到特定形状的雪花。通过这套装置，利布雷希特观察了雪花生长过程中的很多细节，发表了不少论文。他还出版了十多本关于雪花的书，并专门做了一个关于雪花的网站，上面有关于雪花的各种知识，以及他在实验室做出的各种雪花作品：
利布雷希特的雪花作品，注意是真的雪花，不是艺术合成图！（图片来源：SnowCrystals.com）
“我喜欢把它想象成一种新的冰雕形式，只不过我不是从冰块上雕刻，而是通过添加水分子来生长出想要的结构。”利布雷希特在自己的网站上写道，“目前我有幸成为了世界上唯一的雪花晶体艺术家。”
利布雷希特的造雪花装置（图片来源：SnowCrystals.com）
此外，利布雷希特还是大家熟悉的迪士尼电影《冰雪奇缘》（Frozen）的“雪花”顾问。《冰雪奇缘》中的艾莎公主可以通过魔法制造各种各样的雪花，刚好利布雷希特也有制造各种雪花的能力，不过他用的不是魔法，而是物理。
利布雷希特造出的雪花（图片来源：SnowCrystals.com）
雪花的形状讲述着它的过往
利布雷希特在自己的一本书中提到：雪花最终的形状，反映了它的整个生长历史。
这是因为，雪花形成和飘落过程中经历的任何细微环境变化，都会引导雪花生长成不一样的形状。我们常说的“世界上没有两片相同的雪花”，便是因为没有哪两片雪花在落下的过程中会经历完全相同的环境变化。
一些雪花（图片来源：SnowCrystals.com）
雪花的前身，是悬浮在云层里的直径为10～20微米的小水滴。在温度较低时，一些小水滴通过结合大气中的微小尘埃，形成小冰晶，并开始吸收周围的气态水分子，这些水分子在氢键的作用下形成六边形的晶格，最终形成一个六棱柱的结构。
水分子通过氢键形成六边形晶格（图片来源：SnowCrystals.com）
雪晶的六棱柱结构（图片来源：SnowCrystals.com）
在大约-15℃的环境中形成的六棱柱很薄，如果忽略厚度，可以把它看作一个六边形。由于此时六边形的六个角更容易形成新的氢键，因此新的水分子倾向于在六个角聚集，并开始生长出新的分支。而这种新的分支也更容易形成新的氢键，于是发出的分支上又更加容易形成侧支，侧支上又形成新的侧支……最终变成了我们熟悉的辐射状六重对称雪花的样子。
雪花的形成过程（图片来源：SnowCrystals.com）
这样生长出来的雪花，很多时候六个分支的形状完全相同，这是因为它们都经历了相同的环境变化过程，所以才会最终呈现出相同的结构，展现出令人称奇的对称性。
图片来源：SnowCrystals.com
但事实上，并不是所有雪花都是完全对称的，有很多因素都可能导致雪花的分支不完全相同，比如下面这片雪花，据利布雷希特的网站介绍，由于它分支生长速度过快，导致侧支的生长很不规律，造成了不对称。
不对称的雪花（图片来源：SnowCrystals.com）
当然，除了我们熟悉的辐射状雪花，在不同温度和湿度下，雪花还可能生长成为其它的形状。上个世纪三十年代，日本物理学家中谷宇吉郎研究了雪花在不同条件下的生长，并绘制了一个雪晶形态表，后来的人也称之为“中谷雪晶形态表”（Nakaya Diagram）:
中谷雪晶形态表（图片来源：SnowCrystals.com）
我们熟悉的这种辐射状六重对称的雪花，都是在-15℃左右的云层环境中形成的，如果是在-6℃左右的云层中，雪花更容易长成柱状或针状。再加上湿度的作用，雪晶的结构会继续发生变化：当湿度较高时，雪晶的结构会变得更加复杂，若是较低的湿度，雪花则更容易形成简单的棱柱。
各种形状的雪花（图片来源：SnowCrystals.com）
而如果雪晶在生长过程中经历了温度和湿度的显著变化，就可能出现曾经让利布雷希特震惊的那种线轴状的雪花：它们先是生长成了柱状，然后顶端又生长出了片状结构。
线轴状雪花（图片来源：SnowCrystals.com）
了解了这些规律，利布雷希特得以在实验室中创造出各种美丽的雪花。在对温度和湿度的精确操控下，雪花会随着条件的变化，形状从蕨类植物般的鳞片状到扁平的片状结构不等，生长方向也是时而横向，时而纵向。如此一来，各种生长方式的相互组合最终形成了一片片美丽的雪花。
雪花的生长（图片来源：SnowCrystals.com）
并且，由于可以在实验室中控制环境的变化，利布雷希特还可以做出几乎相同的两片雪花——只需要让它们在近乎一样的环境条件下生长即可：
两片几乎相同的雪花（图片来源：Annual Reviews/Libbrecht）
最后，以利布雷希特在网站中对雪花的评价结尾：最初的雪晶生长成为六棱柱，是水分子制造秩序的过程；随后雪晶向外伸出分支，开始以各种不同的形状生长，是水分子制造混乱的过程。秩序和混乱的结合，便造就了美丽的雪花。
图片来源：SnowCrystals.com
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