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每一次下雪，
都是一場物理學家的盛宴。
自然的奇蹟
雪花很美，
輕盈如仙子，微小而精緻，
但遺憾的是，雪花轉瞬即逝，
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，
卻發現就像捕風一般，
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。
來自於戰鬥民族的俄羅斯人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。
「雪花落在地上後就凝聚成，
一塊巨大的乳白色物體，
完全看不到單個雪花的蹤影。」
為了解開自己心中，
雪花究竟長什麼樣子的疑問，
他在網絡上查到了，
專業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，
越感到了自己對於自然的無知。」
因為太過於喜歡，
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，
尚未畢業的他根本負擔不起。
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，
並願意忍受孤寂去鑽研。」
倔強的Alexey，
通過研究微距相機的拍攝原理，
手繪了原理圖。
然後用一台普通的佳能相機，
外加木板、螺絲、膠帶、玻璃，
動手做了一台微距相機。
做出來之後，
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麼高檔，
但卻真的很實用。」
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，
後來他給換成了黑色背景。
落在上面的雪花，
如同鑽石般閃耀。
黑色的背景能清晰地看到雪花的結構，
每一點微小的不同，
都能顯示出來。
拍攝了上千張照片，
Alexey發現：
沒有一張是相同的。
雪花形狀各不相同
或許結構上真的很相像，
但只要仔細觀察，
會發現它們各不相同。
以上同屬於 蕨類狀星型雪花但各不相同
2009年開始，
Alexey每年冬天都會拍攝雪花慶祝節日，
至今已經12年了。
他拍攝的雪花數不勝數，
但發布的只有幾百張。
「 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麼完美。」
想要拍攝到如3D列印般完美結構的雪花，
就需要漫長的等待和篩選。
堅持了12年，
Alexey拍到了一些結構堪稱完美的雪花，
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構，
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。」
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髮，
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構，
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，
就會出現薄膜干涉，
因而雪花會呈現五彩斑斕的彩色。
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，
然後四周像樹一樣發散枝丫
一般的聖誕節裝飾雪花，
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。
它們能大於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合物。
六角形雪花
也叫做六角板雪花（Hexagonal plates），
或者，
鑽石星辰（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，
它們的結構就是一個六邊形，
所以六角形雪花是最常見。
它們非常小，小於1.5毫米，
最大的直徑大約在兩毫米。」
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部結構中，
隱藏著它們的美....」
複雜的六角形雪花，
放大看就如同一個複雜到極致的電路圖，
具有機器和手工，
都無法繪製的完美結構。
十二分枝雪花
當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並不少見，
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，具有天然的完美結構。
其中暗藏的動力學和結構學，
是科學家歷經百年都無法偵破的秘密。
「 對物理學家來說，看到雪花飄落，
我們感受到的不是喜悅，而是沮喪。
因為幾個世紀以來，
我們一直無法破解，
雪花形成的幾何與動力學原理。」
組成雪花的結構很簡單，
結構就是水（H2O）。
由三個原子構成的普通分子，
然而雪花結了冰之後，
卻可以以無數種方式互相結合，
形成至少十億種不同的圖案和組合。
在科學家看來，
雪花的對稱性、結構性、
複雜性等都是人類技術，
至今為止都難以突破的難題。
「雪晶居然會長成這麼複雜的，
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？
這些分枝是如何協調它們錯綜複雜的生長的？」
「人工製冰是很容易的，
但想要製作雪花是很難的。」
我們在電視劇裡面看到的人工造雪，
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，
都復刻不出來自然雪花，
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，
還會環繞中心對稱點不停地旋轉振動，
這就等於雪花的每一邊，
都處在完全相同的空氣環境中，
如此就保證了雪花，
在生長過程中始終是對稱的。」
即便是結構複雜的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複製，
人類也無法預言雪花的形狀。
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，
但如果想要預言雪花的形態，
至今沒有一個模型能夠辦到。
科學家蒂姆·加雷曾經向自然認輸道：
「 即便花了畢生時間研究，
我們也無法預測雪花的大小，
不能解釋雪花的力學特性，
也難以預測積雪的穩定性……
更別談將降雪融入氣候模型了。」
「總有很多人指責氣象局，
但對於絕妙的自然界來說，
想要建立模型是不可能的，
解決問題的唯一辦法，就是觀察。」
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！
我們日常所見的雪花，
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年由瑞典數學家科赫，
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疊代，
但倘若疊代次數無止境呢？
那就形成了科赫雪花。
疊代次數無窮多，
那麼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，
大家總是覺得數學是一種理性的思維，
但其實，
數學也有獨屬於它的浪漫。」
至於世界上沒有兩片相同的雪花，
則是因為自然環境的複雜性導致的。
「每一片自然形成的雪花，
降落到地球的時候都要經過不同的路線，
簡單的路線產生簡單的雪花，
複雜的路線產生複雜的雪花。
而且由於沒有兩片晶體，
會沿著完全相同的路線飄落到地面，
也就不會出現兩片外形一模一樣的雪花。」
科研證實，至少需要10的100兆次方個地球，
才有可能出現相同的雪花
真正決定雪花形態的是風。
「風是一位偉大的設計師，
如果冰晶形成到地面，
沒有風沒有摩擦力，
最終會變成一個普普通通的六稜柱。
但在其降落的過程中，
受風以及摩擦力的影響，
會不斷失去平衡，調整平衡，
最後才會形成複雜好看又對稱的絢麗圖案。」
雪花側面圖
在降落和調整平衡的過程中，
雪花會形成樹杈一般的分支。
「由於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，
於是慢慢形成樹杈一般的分支。」
晶體最初形狀類似如此 六邊形結構沒有分支
降落過程中六個角不斷往外延伸，其他部分生長緩慢
因此結構發生改變
分支不斷擴張，
會形成分枝化不穩定性效應，
在這種效應的影響下，
雪花就會形成不同的複雜但美麗的圖案。
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，
但竭盡一切之後才發現，
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。
相關研究數據來自於科學家Kenneth Libbrecht
當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，
都無法復刻和預測的美麗，
它是自然的奇蹟，
希望它的美，能驚動一顆心。
文獻資料來自知網
以及科學家Kenneth Libbrecht博士相關網站
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把一輩子獻給手藝，
這是我所理解的匠人匠心。