三联中读的朋友们，大家好，我是王燕平。我现在是北京天文馆的一名科普工作者，我喜欢望远镜中浩瀚的宇宙，也喜欢显微镜下微小的雪花。十多年来，我和我的爱人张超共同拍摄了上千枚雪花的显微照片，也曾制作出神奇的雪花标本。我们合著有原创图书《尊贵的雪花》，也曾翻译外版书籍《雪花的答案》。上一次，我在中读小课《如何观看一片云》中带大家领略了许多神奇的云彩，这一次，我将带大家一起走进雪花的微观世界。

▲ 星状雪花

拍摄者：张超

▲ 星盘雪花

拍摄者：张超 王燕平

▲ 像法杖的雪花

拍摄者：张超 王燕平

雪花就好像来自天空的使者，为我们讲述着云之彼端的故事。雪花从地球形成之初便开始飘落，纷纷扬扬飘了几十亿年，飘进17世纪，飘到一位生活困窘的天文学家面前，地球上才终于有了能读懂雪花故事的第一人。

这个人的名字，叫约翰尼斯·开普勒（Johannes Kepler）。1571年冬天，开普勒出生于德国，那时圣诞节刚刚过去两天，迎接他的是一个白色的世界。开普勒年少的时光是在教会学校度过的，16岁时他进入大学，先后取得了文学学士和文学硕士的学位。也是从那个时候起，开普勒开始接触天文学，并自此一发不可收拾。

▲ 约翰尼斯·开普勒肖像

那个年代的天文学是个什么情况呢？简单地说，还没有谁能够直接论证哥白尼的日心说。而且，关于行星运动的各种推算都与观测不相吻合。直到开普勒发现了行星运动三定律，行星绕太阳的运动才有了合理的解释。这三个定律中，前两个发表于1609年。

这两个定律发表之后过了两年，转眼又到圣诞前夕，开普勒坐在家中，眉头紧锁。眼看着圣诞和新年就要到了，生日也快到了，何以如此发愁呢？看那窗外，雪花飞扬，世界宁静而祥和。再看窗内，开普勒已经很久没领到薪水了，年关难过。心怀宇宙的天文学家该如何解决讨薪难题呢？开普勒望着窗外的雪花，决定另辟蹊径。前几天他才观察过这些从天而降的小片片，发现它们基本都是六个瓣的，有点像百合的花瓣。开普勒决定以此为主题写一篇论文，作为新年礼物送给自己的老板。万一老板读得开心，决定发发工资呢！

▲ 六边形雪花

拍摄者：张超 王燕平

开普勒的论文写得很用心，主题是探讨雪花的六重对称结构。早在公元前330年，古希腊哲学家亚里士多德（Aristotle）就曾经说过“美的主要形式是秩序、对称性，和确定性”。在我们自然界中，对称性是普遍存在的。动物奔跑时需要敏捷，需要平衡，因而动物的身体结构往往是左右对称的。常见的花朵，围绕着花瓣中心，有四个、五个或更多的花瓣。与自然界中的动植物相比，雪花的结构是与众不同的，最常见的雪花有六个瓣。

开普勒发现，相比于花朵中存在的生命复杂性来说，雪花显得简单得多，它就是由冰晶组成的。但是，什么样的组织原理会造就出雪花这种六重对称形态呢？开普勒感觉这和矿物晶体有点类似，并进而推测说，在雪晶的中心应该涉及更小尺度上的几何堆叠。至于具体是什么样的堆叠方式，开普勒在论文结尾写到：以此时的科学水平，恐怕无法解答。

▲ 各种雪花

拍摄者：张超

开普勒说的没错，直到300年后X射线晶体学诞生，科学家们才充分认识到原子分子在固体中的排列方式，进而知道了雪花之所以有六个瓣，与雪晶中水分子的排列有关。开普勒写的这篇论文，是雪花研究史上最早的一篇科学文献，它最终并没有解决开普勒的生活困境，却为后人打开了雪花世界的第一扇大门。

26年后，一位对数字极度敏感的法国人迈进这扇大门，有了更加不可思议的新发现。这个人叫勒内·笛卡尔（René Descartes）。提到笛卡尔，学哲学的朋友可能会想到他说过的名言“我思故我在”，学数学的朋友可能会记起他提出的笛卡尔坐标系。和开普勒一样，笛卡尔也曾认真观察过雪花，并被雪花的完美几何结构深深吸引住了。他注意到，有的雪花呈现为车轮形，且两两通过一根轴连接起来，也有的轴比较短，两端都是星形雪花。那么，如果我们的视线方向与雪花的轴向相同，会看到什么呢？看到十二瓣雪花。是的，笛卡尔在距今三百多年前，看到了十二瓣雪花。他被雪花的规则性和对称性所震惊，忍不住感叹到：人类绝不可能制造出这么精确的东西！

▲十二瓣雪花

拍摄者：张超 王燕平

笛卡尔当然不会想到，他所说的这句话会在三百年后被推翻。事情要从1932年的冬天开始说起，那时，二战的种子已在酝酿萌发之中，一位名叫中谷宇吉郎（Nakaya Ukichiro）的日本人，被安排到北海道大学研究核物理学。学校给了他教授职位，却没有相应的设备可以匹配。于是，身处观雪胜地的中谷宇吉郎，转过头研究起了雪花，他甚至开始琢磨，在实验室里能不能制造雪花？经过很多次失败的尝试，到了1936年，第一枚形态规则的人造雪花终于在实验室里制造出来了。自此，中谷宇吉郎打开了雪花世界的又一扇大门。

▲ 中谷宇吉郎工作照

纵观中外历史，痴迷于雪花的人还有很多。认识雪花、研究雪花，究竟有什么用吗？法国科学家亨利·庞加莱（Jules Henri Poincaré）曾说，“科学家研究大自然，不是因为它有用，而是出于喜欢，之所以喜欢，是因为它很美”。美国自然主义者亨利·大卫·梭罗（Henry David Thoreau）也曾看雪花看得出神，他说，“空气中真是充满了富有创造性的天才，才能产生出这么美妙的东西”。

▲ 吉林的雪花

拍摄者：张超

雪花也曾经出现在各种文学作品和艺术作品当中。如果大家看过电影《冰雪奇缘》，注意过爱莎随手一挥产生的雪花，可能会发现，里面的雪花有各种精美的细节，那么，电影里的雪花我们能在现实中遇到吗？天然的雪花都有怎样的形状和花纹呢？如果大家读过绘本《雪花人》，可能记得书里那位名叫威尔森·本特利的小男孩，因为爱雪而将自己的一生奉献给拍摄雪花照片，从而让世人认识到没有两片雪花是完全一样的，那么，雪花这么容易融化，要怎样拍摄呢？如果大家看过美剧《生活大爆炸》，可能记得剧中女主角佩妮（Penny）曾收到一枚手工制作的北极雪花标本，现实生活中，雪花真的能被做成标本吗？

▲ 电影《冰雪奇缘》剧照

本次小课，就让我们带着这些疑问，共同开启一趟奇妙的观雪旅程。一起看看古今中外的人们从雪花里看出了什么门道？自然界中常见的六瓣雪花是怎样长成的？雪花应该如何分类以及我们又应该怎样观察和拍摄它呢？好的，接下来，就让我们一起到雪花的世界里寻找答案吧！

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