嘿，朋友们，我是小k，这两天北方下了场大雪，我站窗户边上看了半天，发现一个事儿——你仔细瞧过雪花吗？每一片都像个小艺术品，而且基本都是六角形的，这事儿我小时候就好奇过，但当时大人就说“因为冷呗”，后来学了物理才知道，这哪儿是“冷”能解释的,背后的故事还挺深的。
雪花的“六角”到底是怎么回事？
咱们先搞清楚一个基本事实：雪花不是所有时候都是六角形的，准确说，它从云里掉下来的过程中，形状会变，但你拿放大镜看刚落地的新鲜雪花，十片里有八九片都是六角对称的，这玩意儿不是偶然，是水分子本身的性格决定的。
水分子：一个自带“社交规则”的小家伙
水分子长啥样？一个氧原子，两个氢原子，像个米老鼠的脑袋——氧是脸，俩氢是耳朵，但关键是，这个“耳朵”不是朝下的，而是以104.5度的角度分开的，这就导致水分子不是个正圆球，它有正极和负极。
当水蒸气变成冰的时候，分子们要排队站好，就像你挤地铁，大家都想找个舒服的姿势——水分子在冰晶里会形成六角形的晶格，因为这种排列方式最省能量，最稳定，你去看显微镜下冰的晶体结构,那就是个六角蜂蜜罐的样子。
为什么不是三角形、四边形？
好问题，如果水分子是别的形状，可能就不一样了，但偏偏它的电荷分布导致它只能以六角对称的方式结晶，你试试用六角形的格子去摆一堆圆球，会发现这玩意儿能无限扩展，还严丝合缝，三角形也行，但三角形晶格在冰的分子间作用力下不是最优解。大自然在能选择的情况下，永远选能量最低的那个。
温度和水汽：雪花的“整形医生”
你可能会说：“小k，我见过雪花有针状的、有柱状的，也不是都像小星星啊。”没错，温度和水汽含量会在雪花长大的过程中，给它做整形。
雪花从云里掉下来，不是一瞬间成型的，它会经过不同温度的空气层，这个过程很像雕塑：先有雏形,再雕细节。
我列个表,你一看就懂：
| 温度范围 | 雪花主要形态 | 为啥这样 |
|---|---|---|
| -3℃ 到 0℃ | 薄六角板 | 水汽在边缘凝结快 |
| -8℃ 到 -3℃ | 针状 | 某个方向长得特别快 |
| -16℃ 到 -8℃ | 空心柱 | 内部有点空 |
| -22℃ 到 -16℃ | 六角星 | 这是最经典的形状 |
| -22℃ 以下 | 复杂柱状 | 很脆，容易碎 |
你看，同样是六角对称，但具体长成啥样，得看它经历的温度，就像同一个人,在不同环境下会有不同打扮。
一个很神奇的“枝晶生长”
我特别喜欢的事儿是：雪花为什么会长出那么细的枝杈？这其实叫枝晶生长，注意看，六角星的六个角会先长出来，然后每个角上再分叉,为什么？
因为水汽在尖锐的地方凝结更快，就像冬天窗玻璃上结冰花，也是从某个点开始，慢慢扩散，雪花掉下来的时候，六个角最先暴露在外界水汽中，于是它们长得最快，等角变长了，角尖又成了新的“尖锐点”,继续抢水汽。
这玩意儿和计算机里的分形很像——一个小规则，不断重复,就变得复杂又漂亮。
一些挺有意思的小细节
说几个我特别觉得有意思的点,可能你也不知道：
-
没有两片完全一样的雪花，但这不是因为什么浪漫原因，纯粹是因为雪花掉下来的路径太随机了——每一次经历的温度、湿度、气流都不同，你没法复现完全相同的生长条件，但它们都是六角对称的,因为那个是最底层的物理规则。
-
有的雪花开起来特别大，那是因为它掉得慢。空气阻力小的雪花能在云里多呆一会儿，有更多时间长大，不过别想歪了,雪花越大越容易碎。
-
雪花的“白色”其实是个错觉，一块冰本身是透明的，但因为雪花里面有无数个小冰晶反射光线，就变成了白色，就像把玻璃砸碎,碎渣也变白一样。
-
你知道吗？日本有个叫中谷宇吉郎的物理学家，20世纪30年代就开始在实验室里造雪花，他搞清楚了温度和形状的关系，他最有名的一句话是：“雪花，是从天上寄给我们的信。”就冲这个,我觉得科学家也浪漫。
雪花为啥不是别的样子？
你可能想问：“那为什么雪花不能是五角形、八角形？”其实有些冰晶因为生长太快或者结构混乱，会看起来不规则，但本质上，只要是水分子在自然状态下缓慢结晶，它就会倾向于六角对称的晶格——因为水分子之间的氢键只能以特定角度连接,这个角度刚好支持六边形排列。
你想，要是氢键角度是120度或者90度，那可能就会形成别的形状了，但偏偏是接近109度。大自然有时候就是个固执的工匠,它找到最好用的结构就会反复用。
一个冷知识：雪花的“六角”不是六条对称轴
很多人以为雪花是六条对称轴，其实只有三条旋转对称轴和三条反射对称轴，你拿个典型雪花仔细看，它旋转120度、240度和360度都能重合，但旋转60度就未必了，虽然看着像个正六边形,但细节上没那么完美。
这就好像人说“完美对称”，其实在微观世界里，对称也有不同等级。
最后聊点接地气的
我记得小时候在下雪天拿舌头接雪花，结果被我妈骂，后来才知道，雪落在舌头上你其实尝不出味道，但能看到它在舌头上瞬间融化时的形状变化，这不是扯淡，而是热传导导致雪花快速变形。
还有，雪花掉在黑色衣服上特别好看，因为黑色吸热慢，雪花化得也慢，下次下雪你可以试试，找个深色外套，用放大镜看,能看到六角形好一阵子。
说白了，雪花之所以是六角形，总结起来就三个要素：水分子的电荷分布、六角晶格的能量优势、以及生长过程中的温湿度条件，这三样东西组合在一起,就造出了大自然里最让人上头的几何艺术品。
不搞那些高深公式了，下次下雪，你出去接一片，看看它是不是六角形的，虽然很快就化了，但那一瞬间,你看到的其实是水分子们在低温下的一场集体舞蹈。
至于为啥非要六角形——因为水分子在说冰晶语的时候，六角形就是它默认的方言。
本文来自作者[kyadmin]投稿，不代表ac米兰官网立场，如若转载，请注明出处：http://milanatour.com/keji/338.html
评论列表（4条）
我是ac米兰官网的签约作者“kyadmin”！
希望本篇文章《小k讲科技，雪花为什么是六角形？这背后藏着一整套物理学》能对你有所帮助！
本站[ac米兰官网]内容主要涵盖：AC米兰,ac米兰中文,AC米兰官网
本文概览：嘿，朋友们，我是小k，这两天北方下了场大雪，我站窗户边上看了半天，发现一个事儿——你仔细瞧过雪花吗？每一片都像个小艺术品，而且基本都是六...