世界上真的不存在两片相同的雪花吗?

知乎日报 太空僧 99℃ 评论

世界上真的不存在两片相同的雪花吗?

图片:

怎么能够确定世界上没有两片相同的雪花?

太空僧,和尚洗头用飘柔

答案是:世界上 存 在 相同的雪花。直接上照片:

在严格相同环境条件下,冰晶能以相似的模式生长(Ken Libbrecht、CalTech)

雪花是什么形状的?

绝大多数的人没有亲自在显微镜下看过雪花。大部分人都是从杂志或者网图上看到那些漂亮的六角形的完美对称的雪花,就以为雪花真的就是那个样子了[1]

或者是这样:

但事实上,大部分的雪花都不是完美对称的,甚至是残缺不全的。上面这张图是在 7000 个雪花中找到的少见的完美的雪花[2]

残缺不全的雪花,网图侵删

按常理来猜想,完美的雪花都是相似的(六边形),残缺的雪花各有各的不同。所以第一步,先把大部分残缺的雪花排除在“寻找两片相同的雪花”的备选之外。

而在剩下的那些“完美的”雪花中,又因为温度、重力、湿度、气压等条件的不同,会生成很多种不同的雪花[3]

自然降雪中发现的几种不同形态的雪花。(a) 自然界不太常见的简单板状晶体,高 1.4 毫米,-20 ?C 且低湿条件;(b) 高 2.1 毫米,具有复杂对称性;(c) 树枝状的晶体,高 3.0 毫米,常在较高湿度且 -15 ?C 时才能形成。(d)六棱柱状晶体,长 0.45 毫米;(e) 针状晶体,长 1.1 毫米;( f ) 一根封顶的柱状晶体,长 0.6 毫米

或者这样:

在温度分别为 -2 ?C(左)、 -5 ?C(中)和 -15 ?C(右)的实验室条件下制造的雪花晶体。图右下的竖黑线长为 100μm

雪花是怎么形成的?

总的来说,6 角形的扁平雪花晶体的形成是动态不稳定(混沌)的,大气温度、湿度等变化会极大的改变雪花的形状。这就造成了在自然界中寻找相同的雪花非常的困难。

初中化学老师教过我们,一个水分子是由两个氢原子和一个氧原子构成的(还记得共价键么?)。最开始,低温下的水分子会因为极性而形成两种多面体:

球代表氧原子,杆子代表氢原子,仅为示意

其中只有左边的形态是较稳定的(通常情况下),而这个形态就会形成一个下面这样的六棱柱:

雪花就是以这个六棱柱作为中央冰核而生长出来的晶体。(最简单的雪花就是这个六棱柱)。

下一步,当空气中的其它水分子“粘附”到这个晶体表面时,水分子会倾向于凝结在棱上而不是面上(或者说在棱上生长得更快),从而形成长长的“针”状结构。

A)雪花晶体的内部结构;B)红色虚线代表晶体表面局部;C)表示同一氢原子的俯视图(上)和前视图(下);D)黑色为氧原子,红色为氢原子

水分子不断地在新生长出来的六棱柱的棱边上粘附凝结,一点点形成了“树枝”状的结构。

细节是魔鬼

雪晶的六个“臂”都是独立生长的,但由于雪花体积很小,在这么小的体积环境下,雪花每一部分的温度和湿度差别不大,因此雪花可以在大致相同的随机变化条件下大体对称地同时生长,最终所有六个“臂”都具有相似的形状。

但随着雪花的变大,晶体边缘的任何微小的变化都会造成后续水分子粘附的条件变得不稳定。你看得越细节,越能找出不对称的存在。

粗略地说,雪花的形状,是由湿度和温度的环境组合创造的(或者说,雪花形状对湿度和温度的轻微变化极其敏感)。而在自然环境下,想找到在雪花形成的几分钟内湿度和温度完全相同的微环境是相当难的。(有兴趣的同学可以去了解一下 mullins-sekerka instability)雪花生成过程中任何意外的微小改变,都会放大其不一致性。其它条件还包括空气中水气的过饱和度、气压、杂质、同位素和其他一些条件[4]

每个“臂”的各个转折点都涉及数以亿计的水分子,因此很难找到真正“对称”的雪花。据粗略统计,一个雪花约含有 10 的 19 次方个水分子[5],有 10 的 158 次方种不同的构成组合,而宇宙中所有原子数估计也就 10 的 78 次方而已。[6]

上面讨论的都是一个雪花片不同“臂”上的区别,如果连一个雪花自己都没办法做到六个“臂”相同,怎么能保证找到另一片雪花,让它们两个长得相同呢?

(就像找不到两匹一样的斑马一样)

相同的雪花

从上面的分析可知,只要我们找到一个办法,让两片雪花在完全相同的微环境下生长,就有可能长出相同的雪花。

这在自然界是几乎不可能的事,但实验室里倒是可以试一试。

加州理工的物理学教授 Ken Libbrecht 主要研究方向是黑洞和引力波,但同时他对雪花也很感兴趣,就在学校的实验室里建造了一个模仿云生成的环境受控的腔室。他先加热腔室底部容器中的水,水蒸发后让腔室里充满水蒸气。当湿度足够大时,通过让腔室温度骤降而使水蒸气凝结[7],形成和人类头发丝直径那么大的微小冰晶,然后通过调节温度和湿度,让其生长出雪花。[8]

一组在实验室中生长的雪花晶体图像

教授发现,当在完全相同条件下结晶时,晶体就有机会长成双胞胎式的雪花片。[9]以下是落选的备选雪花,你能找到哪里不同么?

在完全相同的条件下,可以创造出两片形状和图案几乎相同的雪花。显微镜下拍摄
这两片雪花在相同的条件下并排生长,几乎无法区分
双胞胎雪花的周围环绕着小水滴
从晶体开始生长需要 30 到 40 分钟

当然,如果你硬要杠,要求他们不仅肉眼看上去相同,还要在分子层面细节上完全相同,那估计世界上就没有“相同”的东西了(玻色子和费米子表示不同意)

希望你喜欢我的回答。

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