他拍下世界最美68張照片,，罕見三角形雪花曝光，8萬人癡狂：宇宙終極奧秘是雪花,！

滄風(fēng)閣 2021-12-25

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每一次下雪,，都是一場物理學(xué)家的盛宴

自然的奇跡

雪花很美，

輕盈如仙子,，微小而精致,，

但遺憾的是，雪花轉(zhuǎn)瞬即逝,，

絲毫不給人欣賞和流連的時間,。

就像煙火一般，

在美到極致的時候消失,。

嘗試捕捉住雪花,，

卻發(fā)現(xiàn)就像捕風(fēng)一般，

不過是一場徒勞的美夢,。

雪落在北方,，堆積成厚厚的雪被，

落在南方,，成為薄如蟬翼的金縷衣,。

但無論南北方，

都少有人可以捕捉雪花在空中的美麗,。

來自于戰(zhàn)斗民族的俄羅斯人Alexey Kljatov,，

除了有強悍的四肢，也有一顆鐵漢柔情的心,。

他厭倦了地上厚厚的雪被,，

想要窺探雪花在空中的美麗。

“雪花落在地上后就凝聚成,，

一塊巨大的乳白色物體,，

完全看不到單個雪花的蹤影?！?/span>

為了解開自己心中,，

雪花究竟長什么樣子的疑問，

他在網(wǎng)絡(luò)上查到了專業(yè)攝影師拍的雪花大圖,。

雪花之美,，

立刻就震撼了他。

“在漫天大雪的俄羅斯生活了快20年，

卻從來沒有近距離觀察過雪,，

了解地越多,，越感到了自己對于自然的無知?！?/span>

因為太過于喜歡,，

他決心成為一名雪花微距攝影師。

然而一打聽,，

才知道微距相機很貴,，

尚未畢業(yè)的他根本負擔(dān)不起。

但他從來就不是個輕易放棄的人,。

“我對很多東西都有強烈的好奇心,，

并愿意忍受孤寂去鉆研?！?br>

倔強的Alexey,，

通過研究微距相機的拍攝原理，

手繪了原理圖,。

然后用一臺普通的佳能相機,，

外加木板,、螺絲,、膠帶,、玻璃,，

動手做了一臺微距相機,。

做出來之后，朋友們都嘲笑他說這是傻瓜相機,。

他也自嘲道：

“看起來相機似乎不怎么高檔,，

但卻真的很實用?！?br>

拍攝方式很簡單,，

4塊木頭，一塊玻璃,，

接下來的就是時間,。

雪花落在白色背景上會融為一體，

后來他給換成了黑色背景,。

落在上面的雪花,，

如同鉆石般閃耀。

黑色的背景能清晰地看到雪花的結(jié)構(gòu),，

每一點微小的不同,，

都能顯示出來。

拍攝了上千張照片，

Alexey發(fā)現(xiàn)：

沒有一張是相同的,。

雪花形狀各不相同

或許結(jié)構(gòu)上真的很相像,，

但只要仔細觀察，

會發(fā)現(xiàn)它們各不相同,。

以上同屬于蕨類狀星型雪花但各不相同

1999年開始,，

Alexey每年冬天都會拍攝雪花慶祝節(jié)日，

至今已經(jīng)12年了,。

他拍攝的雪花數(shù)不勝數(shù),，

但發(fā)布的只有幾百張。

“因為雪花周圍大氣里的水汽含量,，

不可能左右上下四面八方都是一樣的,，

只要稍有差異，

水汽含量多的一面總是要增長得快一些,，

自然而然雪花就會沒那么完美,。”

想要拍攝到如3D打印般完美結(jié)構(gòu)的雪花,，

就需要漫長的等待和篩選,。

堅持了12年，

Alexey拍到了一些結(jié)構(gòu)堪稱完美的雪花,，

甚至還有一些罕見的雪花,。

他把這些雪花分為七大類。

三角雪花

世界上最罕見的雪花結(jié)構(gòu),，

12年來,，他也只拍下了3朵。

“大部分三角雪花都極其微小,，

它們的最長邊不會超過兩毫米,，

而且形狀簡單，基本沒有枝杈,?！?/span>

柱狀雪花

柱狀雪花的體積非常小，

落在袖子上時看上去很像一根斷掉的白頭發(fā),，

很容易被忽略....

加蓋柱雪花

這種雪花和柱狀雪花差不多,，

就是兩頭加上兩個蓋子....

花蕊雪花

這種雪花具有雙層結(jié)構(gòu)，

中間有一層凸起,，就如同鮮花的花蕊,。

彩虹雪花

因為雪花的中心部分含有空氣，

冰和空氣層非常薄時,，

就會出現(xiàn)薄膜干涉,，

因而雪花會呈現(xiàn)五彩斑斕的彩色,。

蕨類狀星型雪花

這是一種極其常見的雪花，

它有一個很小的中心,，

然后四周像樹一樣發(fā)散枝丫

一般的圣誕節(jié)裝飾雪花,，都是蕨類狀星型雪花。

“這種雪花的體積非常大,，

即使只用肉眼都可以看到其中的細節(jié),。

它們能大于10毫米，甚至有時還能更大些...”

雙層星狀雪花

非常罕見的雪花,，

是兩個蕨類狀星型雪花的結(jié)合物,。

六角形雪花

也叫做六角板雪花（Hexagonal plates），

或者,，

鉆石星辰（Diamond Dust Crystals）,，

是自然界最常見的雪花。

“因為組成雪花的氫原子和氧原子,，

它們的結(jié)構(gòu)就是一個六邊形,，

所以六角形雪花是最常見。

它們非常小,，小于1.5毫米,，

最大的直徑大約在兩毫米?！?/span>

水分子以其特定的鍵角,，

即由一個氧原子、兩個氫原子和電磁力的物理特性形成,，因此雪花大多為六角,。

“雖然形狀簡單，體積微小,，

但六角形雪花仍然在有趣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中,，

隱藏著它們的美....”

復(fù)雜的六角形雪花,，

放大看就如同一個復(fù)雜到極致的電路圖,，

具有機器和手工，

都無法繪制的完美結(jié)構(gòu),。

十二分枝雪花

當(dāng)兩朵雪花在空中相遇,，撞到一起時，

雪花就會慢慢融合,，

最終變成剛好擁有12個分支的雪花,。

“這種事件聽上去像是巧合，

但其實十二分支雪花并不少見,，

睜大眼睛看看,，

說不定下雪時自己的袖子上就有呢...”

這些雪花，具有天然的完美結(jié)構(gòu)。

其中暗藏的動力學(xué)和結(jié)構(gòu)學(xué),，

是科學(xué)家歷經(jīng)百年都無法偵破的秘密,。

“對物理學(xué)家來說，看到雪花飄落,，

我們感受到的不是喜悅,，而是沮喪。

因為幾個世紀(jì)以來,，

我們一直無法破解,，

雪花形成的幾何與動力學(xué)原理?！?/span>

組成雪花的結(jié)構(gòu)很簡單,，

結(jié)構(gòu)就是水（H2O）。

由三個原子構(gòu)成的普通分子,，

然而雪花結(jié)了冰之后,，

卻可以以無數(shù)種方式互相結(jié)合，

形成至少十億種不同的圖案和組合,。

在科學(xué)家看來,，

雪花的對稱性、結(jié)構(gòu)性,、

復(fù)雜性等都是人類技術(shù),，

至今為止都難以突破的難題。

“雪晶居然會長成這么復(fù)雜的,，

同時又對稱的形狀,。

它的六個分枝是如何生長成相同的絢麗形狀的？

這些分枝是如何協(xié)調(diào)它們錯綜復(fù)雜的生長的,？”

“人工制冰是很容易的,，

但想要制作雪花是很難的?！?/span>

我們在電視劇里面看到的人工造雪,，

造出來其實是冰晶體，

不能做到6面體雪花,。

自然雪花密度約為328公斤/立方,，

而人造雪密度約為856公斤/立方，

目前窮盡所有的技術(shù),，都復(fù)刻不出來自然雪花,，

才會有完美的六面體形狀以及它的輕盈度。

單個雪花的大小通常在0.05~4.6毫米之間,。

雪花很輕,，單個重量只有0.2~0.5克,。

只有自然雪花，才能做到完美的對稱,。

“雪花在空中飄浮時,，

還會環(huán)繞中心對稱點不停地旋轉(zhuǎn)振動，

這就等于雪花的每一邊,，

都處在完全相同的空氣環(huán)境中,，

如此就保證了雪花在生長過程中始終是對稱的?！?/span>

即便是結(jié)構(gòu)復(fù)雜的12分支雪花,，

也依舊擁有對稱性。

“兩個雪花在空氣中碰撞到一起成為一個雪花,，

這朵雪花依然能夠在空中,，

不斷調(diào)整12個方向的重力，

最終落到地面的時候,，

12個方向都能互相對稱,。”

不僅雪花的對稱性無法復(fù)制,，

人類也無法預(yù)言雪花的形狀,。

一個雪花的生成條件很簡單，

無非就是受氣溫,、濕度和墜落速度等方面的影響,，

但如果想要預(yù)言雪花的形態(tài)，

至今沒有一個模型能夠辦到,。

科學(xué)家蒂姆·加雷曾經(jīng)向自然認(rèn)輸?shù)溃?/span>

“即便花了畢生時間研究,，

我們也無法預(yù)測雪花的大小，

不能解釋雪花的力學(xué)特性,，

也難以預(yù)測積雪的穩(wěn)定性……

更別談將降雪融入氣候模型了,。”

“總有很多人指責(zé)氣象局,，

但對于絕妙的自然界來說,，

想要建立模型是不可能的，

解決問題的唯一辦法,，就是觀察,?！?/span>

雪花的奧秘不止這些,。

一片雪花的周長有多長呢？

說出來你可能不信,，比地球的的直徑還長,！

我們?nèi)粘Ｋ姷难┗ǎ?br>

邊緣都非常崎嶇,，其實就是因為進行了分形。

下面這張圖,，是1904年由瑞典數(shù)學(xué)家科赫,，

提出的“雪花曲線”：

將一個正三角形的每條邊平分為三份，

在每一條邊上延伸畫出一個三角形,，

這樣我們就得到了一個六芒星,。

這只是三角形的第一次迭代，

但倘若迭代次數(shù)無止境呢,？

那就形成了科赫雪花,。

迭代次數(shù)無窮多，

那么科赫雪花的周長便無窮長,，

地球的直徑是12800km,，

而雪花無窮長，自然比地球的直徑還要長,。

“分形幾何是真正描述大自然的幾何學(xué),，

大家總是覺得數(shù)學(xué)是一種理性的思維，

但其實,，

數(shù)學(xué)也有獨屬于它的浪漫,。”

至于世界上沒有兩片相同的雪花,，

則是因為自然環(huán)境的復(fù)雜性導(dǎo)致的,。

“每一片自然形成的雪花，

降落到地球的時候都要經(jīng)過不同的路線,，

簡單的路線產(chǎn)生簡單的雪花,，

復(fù)雜的路線產(chǎn)生復(fù)雜的雪花。

而且由于沒有兩片晶體,，

會沿著完全相同的路線飄落到地面,，

也就不會出現(xiàn)兩片外形一模一樣的雪花?！?/span>

科研證實,，至少需要10的100兆次方個地球，

才有可能出現(xiàn)相同的雪花

真正決定雪花形態(tài)的是風(fēng),。

“風(fēng)是一位偉大的設(shè)計師,，

如果冰晶形成到地面，

沒有風(fēng)沒有摩擦力,，

最終會變成一個普普通通的六棱柱,。

但在其降落的過程中，

受風(fēng)以及摩擦力的影響,，

會不斷失去平衡,，調(diào)整平衡,，

最后才會形成復(fù)雜好看又對稱的絢麗圖案?！?/span>

雪花側(cè)面圖

在降落和調(diào)整平衡的過程中,，

雪花會形成樹杈一般的分支。

“由于六邊形的六個頂點略往外突,，

因此頂點部位會更快接收到水分子,，

生長速度就會更快，

該晶體的其他部位生長較慢,，

于是慢慢形成樹杈一般的分支,。”

晶體最初形狀類似如此六邊形結(jié)構(gòu)沒有分支

降落過程中六個角不斷往外延伸,，其他部分生長緩慢

因此結(jié)構(gòu)發(fā)生改變

分支不斷擴張,，

會形成分枝化不穩(wěn)定性效應(yīng)，

在這種效應(yīng)的影響下,，

雪花就會形成不同的復(fù)雜但美麗的圖案,。

在劉慈欣的《微觀盡頭》里說，

千百年來,，人類總渴望探索浩瀚宇宙的奧秘,，

但竭盡一切之后才發(fā)現(xiàn)，

宏觀的盡頭是微觀,。

宇宙星河是有極限的,，

微觀世界，才是沒有盡頭的,。

就如同法國雨果所說,，

“世界上最浩瀚的是海洋，比海洋更浩瀚的是天空,，

比天空還要浩瀚的是人的心靈,。”

拍攝超過12年,，

Alexey從未見過一片相同的雪花,，

或許，大海,、天空,、星空、宇宙,，

它們的奧秘,，

都不及一片小小的雪花多。

相關(guān)研究數(shù)據(jù)來自于科學(xué)家Kenneth Libbrecht

當(dāng)2022年第一場雪來臨的時候，

希望大家不負雪花之美,，

盡情欣賞這來自大自然的鬼斧神工。

雪花,，

它是窮盡人類所有智慧,，

都無法復(fù)刻和預(yù)測的美麗，它是自然的奇跡,，

希望它的美,，能驚動一顆心。

文獻資料來自知網(wǎng)

以及科學(xué)家Kenneth Libbrecht博士相關(guān)網(wǎng)站

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