雪的科學故事：冷凍實驗·雪花痴

原文發表於《知識就是力量》2016年第1期

作者尹傳紅（《科技日報》主任編輯，《科技文摘報》總編輯，中國科普作家協會常務副秘書長）

責編 許小編 劉小編

在科學還沒有發展到人類能認識雪、了解雪以前，這個「冬之精靈」一直顯得十分神奇。為揭開它的神秘面紗，先人們在放飛想像力的同時，也以實際行動進行了探索。

冷凍實驗

弗朗西斯·培根

1626年3月底的一天，剛過完65歲生日的英國哲學家、散文家弗朗西斯·培根，搭乘一輛四輪馬車從倫敦城出來，向北郊的海蓋特駛去。一路上空氣潮濕而涼爽，不時能夠看到尚未融化的積雪。

雖然身體不適，但一直在沉思的培根忽然萌生了一個想法：雪會不會像鹽一樣對肉類起到防腐的作用呢？

當車行至海蓋特山腳下時，培根打定主意立即做個冷凍防腐實驗。他興奮地下了車，從一戶人家那裡買了只雞，讓女主人幫忙去除內臟，然後一把一把地往雞腔內塞雪。

一番張羅之後，培根頓時感到渾身發冷。當晚他發起了高燒。起初他沒有在意，還給朋友寫信說，他用雪做了母雞的冷凍實驗，並將自己的這一行動跟古羅馬作家老普林尼的壯舉比照：「我有著類似老普林尼的命運，由於企圖要做關於維蘇威火山的實驗而喪失了自己的生命。」

不幸，一語成讖！幾天後，也就是1626年4月9日，培根因支氣管炎複發窒息而死。

今天，人們記住培根的名字，主要是因為他提出了唯物主義經驗論的一系列哲學理論，制定了系統的歸納邏輯，特別是首次總結出科學實驗的經驗方法——歸納法，對近代科學的發展起到了指導作用。而他文筆優雅、富含哲理的《隨筆集》，深深地影響了後世，至今仍在流傳。

談及做學問的方法論範式，培根打了一個很有意思的比方：「我們不應該像螞蟻，單只收集；也不可像蜘蛛，只從自己肚裡抽出絲；而應像蜜蜂，既採集、又整理，這樣才能釀出香甜的蜂蜜來。」無疑地，這也才能確保獲得可以征服自然的知識與力量。今天，人們更熟悉的是培根的一句名言——「知識就是力量」。

引人關注的雪花結構

千百年來，人們不只是欣賞雪的飄逸、純潔與美麗，也有人注意到它的奇特形狀。早在公元前一百多年的西漢文帝時代，有位名叫韓嬰的詩人就在《韓詩外傳》一書中指出：「凡草木花多五齣，雪花獨六齣。」許多年過後，歐洲才有作品提及，雪花的基本形狀是六角形。瑞典大主教奧拉夫·馬格努斯（1490-1557）被認為是第一位做此記載的歐洲人士，他在1555年發表的一部自然史書中描述了雪晶，並繪製了圖片。

17世紀初，雪花也吸引了德國天文學家、行星運動定律的創立者約翰內斯·開普勒(1571-1630)的眼光。在寫於1611年的一本名為《六角雪花》的小冊子中，開普勒說，當他穿過布拉格的一座大橋時，他注意到落在衣服上的一片雪花，並因此思考它不可思議的幾何形狀。他認為這不可能是巧合：「這個原因不能通過材質尋找，因為水汽是無形且流動的，原因只能存在於某些機制中。」進而，他猜想，這個機制可能是冰「球」的有序堆積過程，而冰「球」代表了類似水這樣的液體的最小自然單位。

大約20年後，法國數學家、哲學家勒內·笛卡爾（1596-1650）也迷倒在雪花的石榴裙下，他在觀察筆記里發出了這樣的讚歎：「完美的六邊形啊！邊是如此直，夾角是如此精準，粗手笨腳的人類簡直沒戲……我絕對想像不出來，這些完全對稱的六角小精靈如何在自由的空氣與狂躁的風中悠閑地降生。」

顯微鏡發明之後，雪花成了大受歡迎的觀察對象。荷蘭著名的顯微鏡專家安東尼·列文虎克(1632－1723)對雪花進行了細緻的觀察。接著，英國物理學家羅伯特·胡克（1635-1703）也在1665年出版的《顯微術》一書中，展現了他藉助顯微鏡畫出的雪花圖片，並對雪花晶體結構進行了闡述。這被看作是人類首次具體記錄雪花的形態。

此後，對雪花的研究在很長一段時間內處於停滯狀態。

雪花痴的貢獻

威爾遜·本特利

1885年的一天，在美國佛蒙特州北部的傑里科鎮，一個名叫威爾遜·本特利（1865-1931）的農民，藉助一台舊式顯微鏡，用照相機拍下了第一套雪花照片。他寫道：「在顯微鏡下，我發現雪花真美啊，簡直就是奇蹟。每一片雪花結晶都是一件藝術傑作，沒有哪兩片雪花是完全一樣的。當一片雪花融化時，那個圖案也就永遠消失了。那樣的美就這樣消失了，沒有留下任何痕迹。」

由水分子構成的冰晶形狀就是由表面張力決定的，冰晶突起朝六個方向延伸，使得絕大多數（不是全部）雪花都是六邊形。

本特利許下心愿，用他的相機把美麗的雪花永久保存下來。幾十年間，他總共拍攝了5381張雪花照片，其中一部分發表在《國家地理》和《科學美國人》雜誌上。有一次他在給雪花照片分類時，用上了「漂亮女孩的微笑」這樣一個文雅的名目。而他引發人們思索的那個話題——沒有哪兩片雪花是完全一樣的，與他拍攝的數目驚人的雪花照片，讓他在19世紀聲名遐邇，儘管有人把他看作是「瘋子莊稼漢」。1924年，本特利榮獲美國氣象協會頒發的研究一等獎。他還與一位物理學家合作撰寫了《雪晶》一書。

威爾遜·本特利 拍攝的雪花

1931年12月23日這一天，本特利的家鄉暴風雪肆虐。身患肺炎的他仍堅持步行出去拍攝雪花，終因體力不支，倒在了雪花飛舞的荒野中。

如今，科學家對水是如何結冰、小冰晶如何形成雪花等問題，已然有了一定的了解。科學史家認為，在這方面研究的一個個發現，其動力在很大程度上，要歸功於「雪花痴」本特利那些精彩的雪花圖片。

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