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雪|造雪的故事

译言  · 公众号  · 国际  · 2017-01-11 09:53

正文


“雪是天上寄来的信”——这是日本物理学家中谷宇吉郎留下的诗一般的话语。这句话里其实暗藏玄机。它是通过结晶的形状、花纹之类的暗号来书写的。若能读懂这句话的含义,那么也就能够从事人工雪的研究工作了。正如大自然中没有两朵完全相同的雪花一样,雪花的形状千姿百态,又万变不离其宗。


造雪的故事


这是一个在实验室中人工制造雪晶的故事。雪晶是可以在自然界中看到的美奂绝伦、纤细至极的结晶体。也许,对于整日烦恼于残暑酷热的人们来说,待在零下三十度的低温室中,制造并用显微镜观察六角花形雪晶的生活,是令人羡慕的。


早在五年前,我就开始了雪晶的研究。当我把现有的显微镜搬去露天走廊,第一次窥见完整的雪晶时,那种兴奋感着实令人难忘。雪晶实物上长有一根根针状水晶,其精致程度,与普通教科书上印刷的显微镜下的雪晶照片截然不同。冷澈无比的结晶母体、锐利的轮廓线条、变化多端的嵌入式花型,一切都那么澄澈透明,毫无浊色。正因为如此,要想找到一种恰当的比喻来形容这份独特的美,还真有些困难。


此后,在每天对着显微镜观察的过程中,我突然意识到,如此美丽的事物的确数不胜数,可雪晶几乎来不及欣赏便赫然消失,这未免太过可惜了。于是我琢磨着,如果可以在实验室中随时造雪,即便偏离了雪之成因的研究课题,也应该是项相当愉快的工作吧。


不管怎样,雪晶都一定是在温度极低的高空、由水蒸气凝结而成的,所以我们只需模拟它的形成环境即可。起初,我做了一个长约1米的铜板圆筒,将其制冷后,从上方吹入水蒸气。可仅是如此,是怎么也下不了雪的。第一年冬天就在这样的尝试中溜走了。第二年冬天,我做了个更小的铜箱,先用液体空气将内部制冷至零下二十度,再往上面灌入温暖的水蒸气。我并不奢望会出现什么完整的六角花形结晶,第一步只想在铜板表面凝结出结晶的几个枝杈。结果做出来的,净是些类似于寒冷早晨、冻在玻璃窗上的霜花,怎么也做不出伸向空中的结晶枝杈。于是,第二年冬天也转眼间一晃而过。


在反复尝试的过程中,我逐渐意识到,人工造雪可能是项相当艰巨的任务,要轻而易举地创造出雪花这般尤物,终究还得依靠大自然的鬼斧神工。因为除了实验室里的屡次失败,从那时起,我还开始了去十胜岳体验的生活,这也是原因所在。比起札幌等地的知名结晶,十胜岳半山腰上观察到的雪晶,其精致程度更胜一筹。而且,那里的雪晶不仅种类繁多,纷繁复杂,有时还有很多意想不到的、形状奇特的结晶从天而降。




类似水晶结晶的六棱柱形状自不必说,连北极探险时首次发现的金字塔形雪晶也屡见不鲜。有时,在这些雪晶棱柱的两端会长出六角型花,形似日本鼓。它们层层叠加,形成昔日的双翼机形状,其浩瀚身姿遍布山野,这种情况亦不罕见。生活中若总是与这些结晶相伴,便会在不知不觉中被自然的神秘所折服,我甚至觉得,试图人工制造雪晶的做法,是对自然的一种亵渎。


第三年冬天,碍于惰性,我依旧重复着之前的实验。其间我突然有所顿悟,便将冰冷的铜板表面倒过来置于上方,在其下放了个装有水的器皿。水蒸气从水面蒸发,在自然对流的作用下升腾而上,凝结在铜板表面。结果,从铜板表面开始纷纷落下些白色的粉状物。用显微镜一瞧,是一些类似于雪晶的碎片。这样的事,为什么我就没有早点注意到呢?为了让水蒸气合理地遍布结晶体的每个角落,采用自然对流的办法是最好的,想来这也算不了什么。就算是自然界,也一定是天在上,地在下的。但是,要上下倒置、纵横交换,却是出乎意料地困难,这些也都不仅限于物理学的研究范畴。


第四年冬天,因为去年取得的实验成果,令我精神大振。虽然我还在进行同样的实验,但要得到自然雪晶般晶莹剔透的结晶总还差那么点儿火候。想来这也正常,自然条件下,空气受冷,在对流和辐射的作用下,达到结晶时所需的温度,晶体便开始生长。要满足这个要求,最简单的方法就是将整个房间制冷。所以,意识到天上并不存在铜板的事实,又花了我一年的时间。于是,问题重返原点,得出了这样一个极其平凡的结论,即只要能模拟出天然雪晶形成的条件即可。




恰巧,从今年春天开始,我工作所在的北海道大学造了间可以把温度降到零下五十度的低温室。我在低温室中,通过合理利用水蒸气的自然对流作用,尝试着制造雪晶,不料想竟轻而易举地造出了不逊于天然雪晶的漂亮雪晶碎片。所谓碎片,是指在金属或木头表面凝结而成的结晶,真正的雪晶应有六个枝杈,我造出了其中的两三个。如果单从结晶的形状而言,长出两三个枝杈就应该可以了。可不知怎的,我偏偏就想造出与天然雪晶一模一样的六角花型雪花,否则就不甘心。于是,我拜托助手S君在极细的毛梢上继续培养结晶。


两三天后,S君告诉我说:“果然造出雪来了”。我听后匆忙跑进低温室,只见兔毛梢上的六角花型结晶泛着白光。我轻轻取下它,拿至显微镜下观察,这新鲜出炉的雪晶竟然比天然雪晶还要逼真。


做到这一步,后面的工作就非常顺利了。只要改变水的温度,调节水蒸气的供应量,就可以得到各种规则形状的结晶。譬如,水蒸气量多时,会变成羽毛状的纤细结晶;水蒸气量中等时,会变成美丽的扇形。另外,如果一下子减少水蒸气的供应量,结晶就会以非常缓慢的速度长成棱柱状或金字塔型。附着在六角板各角落上的羽毛状枝杈的结晶,在自然界中很常见,而制作这样的结晶,首先得放一块扇形板,然后突然提高水温,让其在板的各个角落长上羽毛状的枝杈即可。有时我们会顺利地做出鼓型结晶,每当此时,我们便会在昏暗的低温室里,一边对着冻僵的指尖哈白气,一边情不自禁地会心一笑。有趣的是,用这种方法做出来的结晶,通常与天然雪花的大小相仿。我倒是想造出手掌般大小的雪花,却怎么也做不到。


这项工作存在一个比较棘手的问题,即健康问题。外面的气温升高,纵然穿上毛皮大衣,将全身裹得严严实实,也终究经不起五十度以上的温度骤变。我是先甘拜下风了,剩下的工作就交给了年轻而朝气蓬勃的助手或学生们。


这工作的确有趣,唯一的缺点就是冷过头了。对在八月酷暑中战高温的朋友们一说,他们都会向我投来羡慕的目光,而事实上,这也并非是一项容易的实验。

(1936年9月17、18日)



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