冬天，許多地方都會下雪。身處溫暖南方的人沒有福氣觀賞雪後銀裝素裹的美景，也無機會堆雪人、帶著孩子們打雪仗，只能通過電視新聞看哪兒哪兒下大雪了，或者透過互聯網欣賞那些美麗的雪景。
歐洲，火車在雪中穿行
雪花很輕很小，在大自然雲層中所產生的雪片通常只能長到1.3釐米直徑，還不及一枚硬幣大。每次下大雪，天空會紛紛揚揚飄下數以萬億計的雪片，這些雪片是什麼樣子的？它們完美對稱嗎？世界上存在兩片長得完全一樣的雪花嗎？這些都是許多孩子心中的疑問。
要想搞清楚雪花是否完美，我們先得知道雪到底是如何產生的。
一簇剛剛掉落的雪花
過冷水與鑽石塵
高空的雲層十分寒冷，特別是在嚴寒的冬天，距離地面幾千米高空雲層中的溫度常常會低至零下十幾度甚至幾十度。這些雲團中有水分子、極微小的冰晶和極微小的水滴。
我們常說0℃是水的冰點，這個表述並不準確，實際上純淨的水在0℃時並不一定會結冰，只有達到-38℃以下時，水才會自動結冰。準確地說，0℃是常壓下冰的熔點。
過冷水結冰實驗
純水在低溫雲層中會保持液態，冷雲中充斥著無數0℃至-30℃的液體水滴，物理學上稱之為過冷水。只有遇到雜質，比如空氣中小小的灰塵，或者碰到另一顆冰晶，過冷水才會迅速凝結成冰。雲層中的過冷水非常重要，我們常見的雨、雪甚至冰雹都需要它的參與才能形成。
小冰晶有一個很高大上的名字：“鑽石塵”。它是呈六稜柱形狀的細小晶體，在陽光下會閃閃發光，像鑽石一樣。
南極空氣中鑽石塵造成的陽光散射
為什麼冰晶都是六稜柱形狀？這與水分子的結合方式有關。
水由氫和氧原子構成，因為共享電子的關係，兩個氫原子與同一個氧原子組成共價鍵，H-O-H鍵間呈106.6°夾角，當水凝結成冰時，水分子之間的氫鍵使其晶體呈現六邊形結構。
冰的分子結構決定其晶體形狀
如果沒有雜質，純淨的水需要在-38℃以下才會主動結晶，但在有灰塵做凝結核時，水分子在0℃以下就可以在核上凝結成冰晶。水分子的凝結會填補所有凹凸不平留下的缺陷，使其更趨向於六稜柱的形態。
水分子的組合傾向
雪花的形成
六稜柱並不是冰晶的終點。在晶體頂端具有更強的電誘導性，空氣中的水分子被這些角吸引，在角上堆積並形成新的結晶。
冰晶生長趨勢
在水汽中的冰晶有這樣的生長趨勢，新的水分子會不斷在冰晶的尖端進行堆積，在其六個角上形成新的分支，於是冰晶漸漸長成了雪花的模樣：
從冰晶到雪花的積累過程
科學家在實驗室環境下對冰晶的尖端施加2000V的電壓，使其在-15℃寒冷水汽環境裡迅速生長，只花了大約20分鐘的時間，在冰晶的尖端就長出一朵美麗的雪花來。
雪花的生長過程
雪花的形狀完美對稱嗎？
在自然狀態下，你無法得到完美對稱的雪花。
通過前節的介紹，我們知道了雪花是在高空寒冷雲層中形成。水分子在冰晶各個角上生長，逐漸形成柱狀或餅狀的晶體，如果每一個角上都有水分子以相同的速度凝結，那麼雪花應該是完美對稱的六角形。
比較對稱的雪花
但事實上，雲層中水分子的分佈並不能完全平衡，當冰晶在雲中翻滾起落時，它的各個部分會經歷不斷變化的溫度和溼度環境，儘管相對於雪花的尺寸來說這種變化非常細微，但這依然會對雪花各部分的對稱性造成影響，進而影響每一個枝杈的發育情況。這在處於溼度更大的環境中、生長速度更快的雪片上面體現得格外明顯，由於雪片在運動過程中其不同部位接觸到過冷水滴的概率差異，最後導致雪片形狀出現顯著不對稱。
明顯不對稱的雪花其實很普遍
世界上有完全相同的雪花嗎？
這是一個頗具爭議性的話題，儘管地球上的雪花數以億億計，但理論上並不存在兩片完全相同的雪花。這是因為沒有任何兩片雪花誕生於完全相同的位置、完全一樣的冰晶，並在同一時刻沿著完全相同的路徑做完全相同的運動。即使你能找到兩片外形相似的雪片，但就像是一對同卵雙胞胎，他們總有些地方存在差異，比如指紋、虹膜或胎記等等。
科學家試圖在嚴格受控的實驗室環境下人為製造出兩片完全相同的雪花，他們在一片玻璃上種植兩粒冰晶，再將其放置在飽和水蒸氣環境中冷卻生長。水分子在相距很近的這兩個冰晶上製造出了極其相似的“雙胞胎”雪花，但最終也只能證明它們只是大體相似，如果你足夠仔細，還是可以在它們中間找出些許不同。
雙胞胎雪花找不同
雪花的生長受許多因素制約，比如溫度和溼度：最大、最漂亮的雪花往往在-22℃~-10℃的條件下生長，在這個溫度範圍內，空氣的溼度越高、水蒸氣越飽和，雪花就越漂亮；-10℃~-3℃的雲層中生成更多的是針狀或管狀的雪晶；而在低於-22℃的乾冷雲層中，冰晶生長的速度比較慢，這裡會產生許多細小的雪粉或鑽石塵。
雪花形狀與溫溼度的關係
除了溫溼度會影響雪花的形狀外，空氣流動的速度、湍流、冷暖空氣的交替變化，以及雪晶顆粒之間由於碰撞摩擦所產生的靜電等等都是重要的影響因素。冰晶的生長行為取決於雲物理學、水的相變、晶體表面的分子結構和動力學。這些要素如此複雜，以至於沒有人真正瞭解它的一切。
總結：
當我們說雪花時，通常指的是雪晶，也就是由水分子組成的單體冰晶。在這個雪晶中，所有的水分子排列成精確的六邊形陣列，因此顯示出我們都熟悉的六重對稱特徵。
實驗室生成的雪花，近乎完美
許多時候雪花是一個比較籠統的稱呼，你會將一片雪晶稱為雪花，有時也將一大團相互糾纏黏連在一起的雪晶稱為雪花，本文所探討的其實就是單一的雪晶。
通過對雪晶形成過程的分析，你應該瞭解：世上並沒有絕對完美對稱的雪花，也不存在兩片完全相同的雪花。因為即使是一粒形狀完美的冰晶，當空氣中的水分子和過冷水滴在它的各個角上堆積生長時，其形狀和大小也會導致細小的差別，這些小差異逐漸累積，最終將導致各個枝杈形狀的明顯差異；同樣地，由於不存在以相同位置、相同形狀、同時以相同軌跡運動的兩片雪晶，生長條件的差異決定了世界上不存在兩片完全相同的雪花。
或許這才是大自然的神奇之處吧！
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