迈向雪花的大统一理论，雪花结晶理论之父提出新思路

Posted 2020-11-25

关于雪花的形状，虽然早在公元前 135 年，我国汉代文学家韩殷就对此提出过疑问，写道：“植被之花，均为五瓣，雪花却有六瓣”，但直到公元 1611 年，才有德国天文学家开普勒在其送给赞助者的一份文章中提出，<strong>“雪花的六角形外观绝非偶然，其背后一定有着什么尚不为人所知的原理，或许于自然形成的六角形就是自然界中最小的液体单位呈现形态”</strong>。
　　然而，就是北国之地如此常见的雪花，对于<strong>“雪花为什么会有那些特有的形状” 和“究竟有哪些因素影响着雪花的外形”这两个如此简单的问题，我们至今也没有答案</strong>。
　　近代对于雪花晶体成型的系统性研究始于 1930 年，日本科学家 Ukichiro Nakaya 开始对该问题进行研究，通过对温度和湿度进行控制，到 50 年代发现“星型的雪花倾向于在零下 2 到 15 摄氏度形成，柱形雪花则倾向于在零下 5 到 30 摄氏度形成，而星型雪花的形成过程在低湿度环境中不易出现分支，在高湿度环境中则倾向于长出更复杂、更高级的花边结果”。
　　虽然<strong>Ukichiro Nakaya 的开创性工作对晶体形状结构的研究做出了很大贡献，也引起了人们对于晶体生长问题的注意</strong>，比如有晶体在 “边缘极速向外扩张，在垂直于面的方向上成长缓慢” 的情况下，会倾向于长成更接近于二维的平面结构，但现代雪花问题的研究者，Kenneth Libbrecht 认为，Nakaya 并没能找出具体是什么在随着温度和湿度而改变，而探究这一问题对于揭开雪花成型之谜来说至关重要。
　　Kenneth Libbrecht 自 2000 年左右开始研究雪花成型问题，当时他因得知别的地区有着与其家乡完全不同的 “带盖柱形” 雪花形状而震惊，便从那时起开始与同事着手构建一个能通过关键参数判断雪花会长成什么形状的算法。
　　Libbrecht 是物理学家。他在加州理工学院一直研究太阳的内部结构，并开发了先进的引力波探测仪器。但 20 年来，探究雪花的奥秘一直是 Libbrecht 的最大兴趣所在，他的持续研究让人们对雪花的结晶过程有了深刻的认识，他也称为“雪花结晶理论之父”。
　　而在他于近期发表的一篇论文中，Libbrecht 描述了一个已经相对成熟的想法。
　　<strong>他的理论核心是一个名为 “被表面能量所驱动的分子扩散” 概念</strong>，试图从数学上对雪晶生长环境与雪晶生长行为和最终形状之间的关系给出解释，也就是找出影响雪晶生长过程的核心因素，以及这些因素与雪晶生长表现间的具体关系。
　　如果从微观世界的角度观察一块雪花的形成，起初排布松散的水分子会随着温度降低，形成一个个氧原子在中心、氢原子在周围的钢性晶格，并通过持续捕捉周围空气中的水分子向上（垂直于雪花平面的方向）或向外生长，当向外生长的速率大于向上生长的速率时，雪花便会长成偏向 “扁平” 的板状或星状，而当向上生长的速率较大时，<strong>雪花便会长成偏向 “柱体” 的柱状或棒状</strong>。
　　根据 Libbrecht 新提出的模型，水气在雪晶生长的过程中会首先落在晶体的角上，然后再扩散至晶体的边缘或其他表面，导致晶体向外或向上生长。此时，各种晶体表面效应相互作用，而哪种效应能够最终演变为影响晶体生长的主体效应，则主要取决于晶体生长环境的温度。
　　<strong>由于一种名为 “预融化” 的现象，我们以前仅在 “冰” 中能够确定温度对晶体生长过程的具体影响</strong>，写出影响方程，但 “冰水混合物” 一般仅能在熔点温度环境下被观察到，其表面的液态成分杂乱无序，造成其预融化现象的行为和特征与冰有所不同，甚至具体的影响方程也在此前不为人所知，而这也正是 Libbrecht 在新论文中为学界所刚刚补上的一个缺口。
　　<strong>虽然 Libbrecht 的研究方法并不是纯粹地从热力学及晶体理论出发，推导出影响式，而是通过实验观察写出与部分理论结合的 “经验主义” 方程。</strong>但同样在从事晶体生长研究的芝加哥伊利诺伊大学研究员 Meenesh Singh 表示，一直以来，经验主义就是晶体研究中不可或缺的一部分，我们在日常研究中往往是基于实验数据尝试对晶体的生长行为提出解释，而 Meenesh 新发表的一篇关于溶剂内的晶体生长行为的研究也正是如此，虽然只是基于实验观测所提出的假设，但这些信息的确能够帮企业优化它们的生产，比如药企的药物分子晶体培养和太阳能电池的材料研发。Meenesh 说：“如果你细究晶体学中的很多问题，你会发现目前我们对很多问题都无法给出令人满意的答案。”
　　对此，现年已 61 岁的 Libbrecht 认为，随着技术的进步，那些谜团总有一天能被解开。Libbrecht 说：“<strong>借助越来越复杂且健全的计算机模拟，我们总有一天能从分子到原子甚至是到最为底层的量子力学中构建出一套完善描述体系。</strong>我现在虽因年龄问题即将退休，但这意味着我将能把更多的精力都投入到研究中，比此前更‘全身心’地沉浸在解决晶体生长问题的过程里。”