雪花之謎 P2 - 純英文版

現在我要打開2,000伏特。 什麼？ 這就是第一步 在實驗室中製造雪花。 這簡直太瘋狂了。 什麼？ 瘋狂吧，對吧？ 那些針尖 直徑約為100奈米。 這也太瘋狂了。 李布雷希特博士是雪花專家。 我是電影《冰雪奇緣》的雪flake顧問。 用指尖創造雪花也沒關係， 但必須是真正的雪花 或者人們並不買單。 美國郵局發行了雪花郵票 使用我的照片。 這不是你平常會想到的那種事情 當你開始學習物理時， 你會出現在郵票上。 你真的寫了本關於雪花的書。 所以我連續兩本著作都大獲成功。 於是我們一直不停地出版書籍 直到最後，一本也沒賣出去。 然後我們停下了。 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。 我直接用手做。 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增長 並做著自己的事。 現在是零下13攝氏度。 但我想要弄出一些分支。 我就把它rück到負15。 然後我會稍微提高一下濕度， 過飽和狀態 你會開始看到枝條從那裡長出來。 所以你正在改變那些條件 剛剛使盤子似乎停了下來，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。 現在我真的開始全力以赴了。 現在我要做的是 我要把濕度調降到零。 所以液滴開始逐漸縮回。 而且這將停止增長 並開始有點微微地顫抖。 說真的，我又想要枝條了。 現在我要真正地用力敲擊它了。 所以你給它很多水分。 現在濕氣很重。 但你會看到，側枝。 你真的開始覺得自己明白發生了什麼事 當你能夠說出：不，我會做這件事。 然後，它發生了。 這很有趣，我可以預測未來。 我喜歡認為它們比自然更好。 原因是這些面只是非常鋒利而已。 這些東西的所有邊緣都只是鋒利而清晰的。 然而在天空中，它們必須墜落。 當它們掉落時，而你將它們撿起的那一刻 而你將它們放在顯微鏡下， 它們開始稍微蒸發了一些。 天啊，這些真是太棒了，簡直清晰極了。 第一張在野外拍攝的雪花特寫照片 於1885年由美國氣象學家拍攝 威爾森·A·本特利 是本特利提出了這個想法。 沒有兩片雪花是相同的。 他知道。 在他的一生中 他拍攝了超過五千張雪花的照片， 其中一些出現在他的書中。 雪晶，至今仍仍在印刷。 但大多數雪花並不像 本尼特拍攝的那些人， 因為他只選了那些狀態完好的 罕見的美與均衡。 我的意思是，當你尋找雪花的時候， 我來拿一塊大紙板。 而你只是匆匆一瞥。 爛事，什麼都沒有。 內部再刷多一點。 不。 每支畫筆代表一千片雪花。 它們很難找到。 你知道的，他們可是萬中無一的。 我的意思是，字面上的。 我們都已經習慣看到這種圖片了 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？ 他們為什麼如此複雜 然而彼此之間卻又如此不同？ 雪花的對稱臂是如何形成的？ 彼此之間完美地相互對應？ 我的意思是，雪花的一 side 是怎麼回事 知道對方在做什麼嗎？ 為什麼雪花是扁平的？ 它們的直徑通常只有幾毫米。 但只有微米厚。 盤子的邊緣可以窄到像剃刀刀刃一樣。 但謎團還遠不止如此。 每個人都會這樣想像雪花， 但事實是，它們以各種各樣的不同形式出現。 像這樣，一個空心的柱子。 那是一片雪花。 還有針、杯和子彈。 這就像我最喜愛的那種雪花一樣， 是一個容量柱。 它一開始是呈柱狀生長的， 但後來溫度發生了變化 然後你會發現兩端都長出了盤狀結構。 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 在發生什麼事。 只是水蒸氣凝結成冰 所有這些事情都發生了。 所以你已經辨識出35種不同類型的雪花。 是的，並沒有真正唯一的方法 定義一種雪花的類型。 第一張雪花圖案看起來像41，我想。 然後它變得更大，達到六十或七十。 最近由一些日本物理學家提出的理論， 我想它有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種多樣的形態的呢？ 所有的雪花都是以大致相同的方式形成的。 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， 它冷卻並變得過飽和。 意思是空氣中的水分子更多。 比在此溫度下達到平衡時的量還要多。 水分子凝結在粉塵粒子上 形成微小的水滴。 即使溫度可能低於冰點， 液滴不會立即凍結。 但總會有一滴水珠在某個時刻結冰。 在內部，水分子會固定在位置上， 形成六角晶體。 這種結構導致 水分子的獨特性質。 氧原子對電子的吸引力大於氫原子。 由於分子呈彎曲形狀， 它是極性的，氧原子略帶負電。 而氫原子略帶正電。 由於異性電荷相互吸引， 一個分子的氫會緊鄰一個氧 從另一個分子中形成所謂的氫鍵。 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運作的 長成我們看得見的六角形晶體嗎？ 所以你一開始拿了一塊冰， 而這些小東西原本是要代表水分子的。 而且會出現這些平坦的表面， 哪些是面facet表面， 而在分子尺度上，它們非常光滑平整。 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。 這裡有許多懸空的分子鍵。 那是一個粗糙的表面。 因此，當這些分子撞擊時，它們往往會黏附在一起。 當然，這是一種統計現象。 但他們留在這裡的機率很高 而且低得會黏在這裡。 所以如果你取任何形狀 然後你只是讓它稍微生長一會兒， 粗糙的區域會填滿，平坦的區域則保持不變 不會長得太快，最後會形成一個具有稜面的形狀。 這就是我們如何從量子力學出發的 支配水分子的力 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 生長得很快，就會形成柱體。 如果稜鏡的 facets 生長得更快，就會形成一張扁平的雪花。 一旦有晶種存在， 附近的水滴蒸發了 並將水分子沉積到正在生長的雪晶上。 由於六角柱的角落 伸入潮濕空氣中的部分越長，生長得就越快。 現在它們的範圍甚至更遠了。 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。 在這些枝條的角落處， 額外的分支會因同樣的原因形成。 大約需要十萬個液滴 製造一片雪花。 這個過程通常需要30到45分鐘。 1930年代，中谷宇吉郎 系統性地研究雪花 在日本北海道大學。 他發現不同類型的雪花 並非都在相同的條件下發生。 相反，有兩個因素，即溫度 以及過飽和度水平， 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。 大約零下二攝氏度時，就會形成板狀結構。 在攝氏零下五度時，會形成柱狀和針狀結構。 零下15攝氏度，又是盤子。 然後在零下20度以下，你會得到柱狀物和板狀物。 中屋圖表使我們能夠理解 任何雪花的粗略歷史。 每一片雪花本質上 透過其形狀揭示其歷史嗎？ 是的，絕對，在某種程度上是這樣。 你當然可以看著一片雪花說， 是的，我知道什麼條件。 那塊水晶是在那裡生長出來的，大致如此。 典型的天氣模式、鋒面、冷鋒 這會產生許多被截斷的欄位 因為當雲層上升時，開始變冷 而且它們最初開始結冰 大約在負六、負十的位置。 這會形成欄位。 當溫度進一步降低時，便會形成枝狀和板狀的結構。 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。 生長過程中每一時刻的溫度與濕度 決定該瞬間所形成的結構。 你所看到的對稱，並非因為其中一邊 某種方式下知道對方在做什麼， 但因為一片雪花的兩面 在完全相同的條件下生長。 當水晶改變位置時， 溫度將會改變，例如， 所有六個分支將會感受到相同的溫度變化。 因此他們都會以同樣的方式回應。 另一方面，不同的雪花， 各自走一條獨特的道路， 因此，他們會經歷一組獨特的條件， 這就是為什麼沒有兩片雪花是完全相同的。 但在實驗室裡，你可以精確地控制條件。 因此從理論上來說，應該是可行的 創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？ 把你的手電筒放進去，你就會看到了。 啊哈。 我正在想像這些有點像是晶種一樣的東西。 那些是閃閃發光的小雪花晶。 是的。 然後這又是一個小房間， 只是一塊冷盤。 裡面還有一片小小的藍寶石圓盤。 然後我就會推這個東西， 我的藍寶石，一直都在這裡。 晶體將飄浮於其上 並希望能夠留在那裡。 這個想法突然浮現出來。 就像，哦，如果我種兩株挨著一起的話， 它們會有點相似。 我稱它們為相同的雙生雪花 因為他們就像雙胞胎一樣。 它們並不完全相同。 但顯然比你所預期的要相似得多。 真的有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。 任何具有複雜性的東西 與其他一切都不相同 因為一旦引入複雜性， 那麼，創造它的方法多到無法計數。 如果一對雙生雪花生長得彼此過於接近， 他們最終會為水分而互相競爭， 同時抑制了他們兩人的成長。 中屋圖表使我們能夠理解 關於雪花形成的許多知識。 肯已利用他的實驗 建立他自己的圖表版本。 但它無法解釋的卻是 那麼，冰晶最初為什麼會以這種方式形成呢？ 我的意思是，我們為什麼會先得到板，然後再得到柱？ 然後又是板和柱？ 這一直是一個謎 本質上自中谷宇吉郎提出他的圖表以來 1930年代。 但肯認為他現在已有答案。 只要有一塊水晶， 你會得到這些光滑、平坦的面的原因 因為在上面繼續生長更多晶體並不容易。 所謂的成核障礙。 你需要的是臨界密度 該物質的額外分子 在它們能夠聚集在一起形成一座小島之前 足夠穩定以促進成長 再為水晶加上另一層。 當你最初形成一片雪花時， 你永遠都得從一個六角柱開始 其兩個基部面 以及周圍六個棱鏡面。 以及基面晶面的成核能壘 與稜鏡 facet 的情況不同。 如果成核能障對於稜柱面較低， 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較低， 然後它們生長得更快 最後你會得到類似柱狀的結構。 現在，冰的成核障礙 稱為溫度的函數。 這也解釋了為什麼在負二周圍， 稜鏡的稜面生長得更快，你就會得到板狀結構。 因為它們的成核能壘較低。 你也可以看出為什麼低於 -20 左右時會出現這種情況， 那麼，你就會得到欄位 由於基底面晶核形成的能壘 在這些溫度下較低。 但什麼說不通 這就是我們應該在約零下五攝氏度時進行柱狀分析的原因。 然後再次在攝氏零下15度時加熱。 那麼，到底發生了什麼事？ 好吧，肯的假設是，這些成核障礙 僅適用於大型平坦的表面。 但如果您的切面真的非常窄， 嗯，成核障礙會有所不同。 因此，肯建議將窄的基部稜面 在成核能壘上出現一個下降 約零下四攝氏度 且窄棱鏡面具有15度的下傾角。 因此，他的假設是，這個圖表應該長這樣。 這就一致了 各種形狀的雪花 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，假設我們有一個狹窄的稜鏡面。 所以我們正在長出一塊雪花板。 撞擊基面 facet 的水分子 不太可能達到臨界密度 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， 水分子可以黏附在粗糙的邊緣上。 為了最小化表面能， 這張臉的理想形狀應為半圓形。 但如果僅僅是頂部的幾層 水分子是可移動的， 試圖降低表面能， 其中許多會擴散到稜鏡表面。 在這個過程中， 它們超過了臨界密度 必須克服成核能壘。 因此他們可以在稜鏡面上生長晶體。 因此，由於這極其微小的差距， 成核障礙有效地降低了 比起大型棱鏡面來說，會更小。 基底面也發生類似的效果。 只是在不同的溫度下。 而且肯已經進行了實驗來探究 這些效應是否在實驗室中被觀察到。 因此，我使用該裝置進行了一系列實驗 天哪，就像這樣，砰的一下，就這樣了。 當你建立一個模型時 而且你會覺得它應該要做點什麼 它在某種程度上確實如此，只是感覺這或許就是正確的。 到目前為止，結果與假設相符得很好。 因此，經過85年後， 也許我們現在已經理解了冰的分子物理學。 足夠清楚，終於能解釋雪花是如何生長的 如此多樣的收藏 柱狀和板狀形式。 我一生的職業生涯大多致力於天文學與天體物理學。 沒有人問過我這東西有什麼用處。 我的意思是，從來沒有，連一次都沒有人說過， 那些黑洞將用於什麼用途？ 不。 土星的環，你為什麼會關心土星的環呢？ 研究土星的動機是什麼？ 沒有人問過那件事。 每次我演講的時候， 人們會問：你在做什麼？ 這到底有什麼用？ 我告訴你真正的原因， 我之所以會踏入這件事的真正原因。 你看著一片雪花，心裡不禁會想， 其實，你有沒有概念它是怎麼運作的？ 好吧，那根本不行，這樣行不通。 我們必須搞清楚它是怎麼運作的，該死的。 好吧，我想成為那個男人 誰能解釋雪花的形成原理。 這一直是一個推動因素，你知道的。 作為一名科學家，你想要弄清楚某件事。