雪花之謎 P1 - 中英字幕版

現在我要開啟2,000伏特。 什麼？ 這是在實驗室中製造雪花的第一步。 這簡直太瘋狂了。 什麼？ 瘋狂吧，對不對？ 那些針尖的直徑約為一百奈米。 太瘋狂了。 李布雷希特博士是專門研究雪花的人。 我是電影《冰雪奇緣》的雪flake顧問。 用指尖幻化出雪花也無妨， 但必須是真正的雪花，否則人們不會相信的。 美國郵政局使用我的照片製作了一套雪花郵票。 這不是你一開始學物理時通常會想到的東西。 你會出現在郵票上。 你真的寫了關於雪花的書。 所以我連續兩本小說都大獲成功。 於是我們一直不停地出書，直到最後一本也一冊都賣不出去，然後才停下來。 所以你有點像雪花藝術家嗎？ 我稱之為設計師雪花。 因為是的，我正在臨時設計這個。 我沒有能為我完成所有這些事情的電腦。 我用手直接做。 所以每個人都有點不一樣。 肯對雪花了解這麼多， 他可以根據自己的規格設計並建造它們。 現在的情況是它正在成長，並按照自己的方式發展著。 現在是零下13攝氏度。 但我想要做一些分支。 我就把它調到負15。 然後我會稍微提高一點濕度，提高過飽和度， 你會開始看到枝條從那裡長出來。 所以你改變那些條件，只是讓那片板子好像停下來了，變得非常…… 我改變了生長條件，以促進枝條的生長。 就在那裡的那個小東西，那個小小的突起， 那隻有這件東西接觸到藍寶石基板。 剩下的部分都在往上生長。 這增加了氣流。 那些是正在形成的水滴，現在我真的開始加速了。 現在我要將濕度調低至零。 所以液滴開始逐漸縮回。 而且這將停止生長，並開始略微出現一些棱面。 說真的，我想要枝條，現在我要真正地用力敲打它了。 所以你給它很多水分嗎？ 現在濕氣很重，但你會看到側枝。 當你能夠說出這句話時，你才真正開始感受到自己明白了其中的奧妙。 現在我要這麼做，然後它就發生了。 這很有趣，我可以預測未來。 我喜歡認為它們比自然更好。 原因是這些面只是很鋒利而已。 這些東西的所有邊緣都只是鋒利而清晰的。 然而在天空中，他們卻不得不墜落。 當它們掉落下來，你將它們撿起並放在顯微鏡下時， 它們開始稍微蒸發了一些。 天啊，這些真是太棒了，乾淨利落。 第一張在野外拍攝的雪花特寫照片 於1885年由美國氣象學家威爾遜·A·本特利拍攝。 是本特利首先提出了沒有兩片雪花完全相同的觀點。 他知道。 在他一生中，他拍攝了超過五千張雪花的照片， 其中一些出現在他的著作《雪晶》中。 至今仍正在印刷。 但大多數雪花並不像本特利拍攝到的那樣。 因為他只挑選那些狀態完好、擁有罕見美感與對稱性的。 我的意思是，當你正在尋找雪花時，我寧可要一塊大紙板。 而你只是匆匆一瞥。 爛事，什麼都沒有。 把它們撥開，再撥開一些。 不，每一支筆都是一千片雪花。 很難找到。 他們萬中無一，我的意思是，字面上真的如此。 我們都已經習慣看到這種圖像了 我們對雪花的奧秘視而不見。 例如，為什麼它們全都具有六重輻射對稱？ 它們為什麼如此複雜，卻又彼此大不相同？ 雪花的兩側臂膀是如何如此完美地相互對稱的？ 我的意思是，雪花的一邊怎麼會知道另一邊在做什麼呢？ 為什麼雪花是扁平的？ 它們的直徑通常為毫米級，但厚度僅為微米級。 盤子的邊緣可以窄到像剃刀一樣。 但謎團還遠不止如此。 每個人都會這樣想像雪花， 但事實是，它們以各種各樣的形式存在。 像這樣，一個空心的柱子。 那是一片雪花。 還有針、杯和子彈。 這就像我最喜歡的那種雪花。 這是一個蓋柱。 起初是呈柱狀生長的， 但後來溫度改變了，然後你會發現兩端都長出了板塊。 只是一片雜亂無章的各種形狀。 所有這些都是自然出現的。 沒有DNA，也沒有任何類型的藍圖來說明正在發生的事情。 這不過是水蒸氣凝結成冰所發生的一切。 所以你已經辨識出35種不同類型的雪花。 是的。 並沒有唯一的方法可以定義一種雪花的類型。 第一張雪花圖表看起來像41，我想。 然後它變得更大，達到六十或七十。 最新的一項是由一些日本物理學家提出的， 我想，有108種不同的雪花。 而且我發現108個實在太多了。 簡單的冰是如何形成如此多樣的形態的呢？ 所有的雪花都是以幾乎相同的方式形成的。 水蒸發成水蒸氣， 大氣中來回彈跳的單個分子。 當這股水汽上升時，會逐漸冷卻並達到過飽和狀態。 意思是空氣中擁有更多的水分子 比在此溫度下達到平衡時的量還要多。 水分子會凝結在粉塵顆粒上，形成微小的水滴。 雖然溫度可能低於冰點， 液滴不會立即結冰。 但總會有一滴水"}; 內部，水分子固定位置，形成六角形晶體。 這種結構是由水分子的特殊性所造成的。 氧原子對電子的吸引力大於氫原子。 由於分子呈彎曲形狀，因此具有極性。 氧原子略帶負電，氫原子則略帶正電。 由於異性電荷相吸，一個分子中的氫原子會與另一個分子中的氫原子相吸。 會坐在另一個分子的氧原子旁邊， 形成所謂的氫鍵。 這正是形成六角形分子晶格的原因。 但這微觀的晶格是如何長成我們肉眼可見的六角形晶體的呢？ 所以你一開始拿了一塊冰。 而這些小東西原本是用來代表水分子的。 而實際上，這些是平坦的表面，也就是稜面。 而在分子尺度上，它們非常光滑且平坦。 因此，當一個分子撞上時，也就是水蒸氣分子時， 當它擊中那光滑平坦的表面時，往往會彈開。 而這裡，情況卻很艱難。 這裡有許多懸 dangling 的分子鍵。 那是一個粗糙的表面。 因此，當這些分子撞擊時，往往會黏附在一起。 這當然是一種統計現象。 但這些物體停留在這裡的機率很高，而停留在這裡的機率則很低。 因此，如果你拿任何一種形狀，只是讓它稍微生長一會兒， 粗糙的區域會逐漸填滿，而平坦的區域生長得則不快。 你最終會得到一個具有多個平面的形狀。 這就是我們如何從支配水分子的量子力學出發 一個六角柱體的冰。 這個稜柱有兩個底面和六個側面。 這很重要。 如果基底 facet 生長得快，就會形成柱體。 如果棱柱面的生長速度較快，就會形成扁平的雪花。 一旦出現晶種，周圍的水滴就會蒸發 並將水分子沉積到正在生長的雪花上。 由於六角柱的角落伸入潮濕空氣中更遠， 它們生長得更快。 現在它們的範圍甚至延伸得更遠了。 因此，它們會在正向反饋迴圈中成長得更快。 這產生了六條輻射狀分支。 在這些枝條的角落，由於同樣的原因，還會形成額外的枝條。 大約需要十萬個水滴才能形成一顆雪花。 整個過程通常需要30到45分鐘。 在1930年代， 中谷宇吉郎在日本北海道大學系統性地研究雪晶。 他發現不同類型的雪花 並非所有情況都在相同的條件下發生。 相反，兩個因素——溫度和過飽和程度——起著作用。 確定哪種類型的雪花會生長。 他的發現總結於中屋圖中。 但它並非一個簡單的模式。 在零下兩攝氏度左右，你會得到板狀物。 在零下五攝氏度時，會形成柱狀和針狀結構。 零下15攝氏度時，又開始下冰雹了。 然後在零下20度以下，你會得到柱狀結構和板狀結構。 中屋圖表讓我們能夠了解任何雪花的粗略歷史。 每片雪花的形狀，本質上是否都揭示了它的歷史？ 是的，絕對，在某種程度上是這樣。 你當然可以看著一顆雪花說， 嗯，我大概知道那顆水晶生長時所處的環境條件。 典型的天氣模式、鋒面、冷鋒 這會產生許多被截斷的欄位。 因為隨著雲層上升，氣溫開始降低。 它們最初在大約零下六度、零下十度時開始結冰。 這會形成欄位。 隨著氣溫降低，會形成枝狀和板狀結構。 於是你就會得到被限制的柱狀圖。 這也解釋了為什麼雪花如此精緻。 生長過程中每一刻的溫度與濕度 決定該瞬間所形成的結構。 你所看到的對稱，並非因為某一邊偶然得知另一邊的動作， 但由於單一雪片兩側生長的環境完全相同。 當那顆水晶改變位置時，溫度也會隨之改變，例如。 在所有六個分支中，我們將看到相同的溫度變化。 因此他們都會以同樣的方式回應。 另一方面，每片雪花都各自走著獨特的路徑。 因此，他們經歷了一組獨特的狀況， 這就是為什麼沒有兩片雪花是相同的。 但在實驗室裡，你可以精確地控制各種條件。 因此，理論上應該能夠製造出幾乎完全相同的雪花。 事實上，肯確實這麼做了。 這裡有什麼？ 把你的手電筒伸進去，你就會看到了。 啊哈。 我正在想，這些大概是一種晶種吧。 那些是閃閃發光的小雪花晶。 是的。 這又是一個小房間，只有一塊冰冷的板子。 裡面還有一片小小的藍寶石圓盤。 然後我會把這東西，我的藍寶石，完全推進來這裡。 而水晶將會飄浮在上面，並希望它能穩穩地停留在那裡。 這個想法突然冒了出來。 就像，哦，如果我種兩棵在彼此旁邊，它們會有點相似。 我稱它們為「 identical twin snowflakes」，因為它們就像雙胞胎人類一樣相似。 它們並不完全相同，但明顯比你所預期的要相似得多。 真的沒有兩片雪花是相同的嗎？ 我的意思是，那只是個愚蠢的問題。 這很荒謬，因為沒有兩棵樹是相同的。 沒有兩粒沙子是相同的。 沒有任何兩樣東西是完全相同的。 任何具有複雜性的事物都與其他一切事物不同。 因為一旦引入複雜性，就存在無法計數的無數種實現方式。 如果一對雙生雪花生長得彼此過於接近， 它們最終會互相爭奪水分，導致雙方生長受阻。 中屋圖表讓我們能夠了解關於雪花形成過程的許多資訊。 肯已利用他的實驗，建立了屬於自己的圖表版本。 但它並未解釋的是，冰晶最初為何會以這種方式形成？ 我的意思是，為什麼我們會先得到板，然後是柱，接著又是板和柱？ 自中屋在1930年代提出他的圖表以來，這一直是一個謎。 但肯認為他現在有了答案。 每當你有一塊水晶時，之所以會出現光滑平整的平面稜面，原因在於 因為在上面再長出更多晶體並不容易。 所謂的成核障礙。 你需要的是該物質額外分子的臨界密度。 在它們能夠聚集在一起形成一個足夠穩定的小島以繼續生長之前 再為水晶加上一層。 當你最初形成一片雪花時，你總是會從一個六角柱體開始。 其具有兩個底面稜面和六個側面稜柱稜面。 而基面的成核能壘與稜柱面的成核能壘不同。 如果成核能障對於棱柱面較低， 然後它們生長得更快，你就會得到類似板狀的結構。 如果成核能障對於基面晶面較低， 然後它們生長得更快，最後形成類似柱狀的結構。 如今，冰的成核能壘已知為溫度的函數。 這也解釋了為什麼在負二附近， 棱鏡的晶面生長得更快，因此形成板狀結構，因為它們的成核能障較低。 你也可以看出，低於約 -20 以下的情況。 那麼，你會得到柱狀結構，因為在這些溫度下，基底面成核能壘較低。 但不合理的是，我們為什麼會在約零下五攝氏度時出現柱狀圖。 然後再次在攝氏零下15度時加熱。 那麼，到底發生了什麼事？ 嗯，肯的假設是，這些成核障礙僅適用於大型平坦晶面。 但如果您的晶核具有非常窄的晶面，那麼成核能壘就會有所不同。 因此，肯提出窄的基底面 facets 的成核能壘具有凹陷。 約零下四攝氏度，窄稜柱狀晶面在零下十五度時出現下凹。 因此，他的假設是，這個圖表應該長這樣。 這與各種不同的雪花形態是一致的。 在不同溫度下生長的。 但這些下降現象的原因是什麼呢？ 好吧，假設我們有一個窄的稜鏡面。 我們正在培育一塊雪花板。 撞擊基面的水分子很難達到臨界密度 必須克服成核能壘。 因此，該表面僅緩慢增長。 但在這窄小棱鏡面的兩側，水分子仍可附著在粗糙的邊緣上。 為了最小化表面能，此表面的理想形狀應為半圓形。 但如果只有最上面幾層的水分子具有移動性， 為了降低表面能，其中許多物質會擴散到稜鏡面上。 在這個過程中，它們超過了克服成核能壘所需的臨界密度。 因此他們可以在稜鏡面上生長晶體。 因此，由於這極小的差距，成核能壘實際上較低 比起大型棱鏡面而言。 基底面的類似效應也會發生，只是發生在不同的溫度下。 而且肯已經進行實驗，以調查這些效應是否能在實驗室中觀察到。 因此，我使用該裝置進行了一系列實驗。 天啊，就像這樣，砰的一下，就這樣了。 當你建立一個模型，並發現它似乎應該做某件事時， 它在某種程度上確實如此，只是好像……這或許就是對的。 到目前為止，結果與假設非常吻合。 因此，經過85年後，我們或許現在已足夠了解冰的分子物理學。 最終解釋雪花如何長成如此多樣化的形態 柱狀和板狀形態。 我一生的職業生涯大多致力於天文學與天體物理學。 沒有人問過你這東西有什麼用處。 我的意思是，從來沒有。 甚至沒有人說過，你知道嗎，那些黑洞究竟要用來做什麼？ 不。 土星的環 你為什麼會關心土星的環？ 研究土星的動機是什麼？ 沒有人問過那件事。 每次我演講時，人們都會問：你在做什麼？ 這到底是要做什麼？ 我來告訴你真正的原因。 我進入這件事的真正原因。 你看著一片雪花，心裡會不禁想，其實，你有沒有想過它是怎麼形成的？ 好吧，那根本不行，這樣行不通。 我們必須了解它是如何運作的。 該死的。 我想要成為那個揭開雪花運作原理的人。 這始終是一個推動力。 你知道嗎，作為一名科學家，你總想弄明白某些事情。