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  科学传奇(12):雪的科学故事:冷冻实验·雪花痴    上一篇  下一篇    
  发布者:尹传红 |  浏览(3150) 评论 (0)  | 发布时间:2016-01-23 22:27:28 最后更新时间:2016-01-29 16:54:16  
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科学传奇(12):雪的科学故事:冷冻实验·雪花痴

 《知识就是力量》2016年第1期

         

雪的科学故事:冷冻实验·雪花痴

尹传红


在科学还没有发展到人类能认识雪、了解雪以前,这个“冬之精灵”一直显得十分神奇。为揭开它的神秘面纱,先人们在放飞想象力的同时,也以实际行动进行了探索。 

冷冻实验

1626年3月底的一天,刚过完65岁生日的英国哲学家、散文家弗朗西斯·培根,搭乘一辆四轮马车从伦敦城出来,向北郊的海盖特驶去。一路上空气潮湿而凉爽,不时能够看到尚未融化的积雪。

虽然身体不适,但一直在沉思的培根忽然萌生了一个想法:雪会不会像盐一样对肉类起到防腐的作用呢?

当车行至海盖特山脚下时,培根打定主意立即做个冷冻防腐实验。他兴奋地下了车,从一户人家里买了只鸡,让女主人帮忙去除内脏,然后一把一把地往鸡腔内塞雪。

一番张罗之后,培根顿时感到浑身发冷。当晚发起了高烧。起初没有在意给朋友写信说,他用雪做了母鸡的冷冻实验,并将自己的这一行动跟古罗马作家老普林尼的壮举比照:“我有着类似老普林尼的命运,由于企图要做关于维苏威火山的实验而丧失了自己的生命。”

不幸,一语成谶!几天后,也就是1626年4月9日,培根因支气管炎复发窒息而死。

今天,人们记住培根的名字,主要是因为他提出了唯物主义经验论的一系列哲学理论,制定了系统的归纳逻辑,特别是首次总结出科学实验的经验方法——归纳法,对近代科学的发展起到了指导作用。而他文笔优雅、富含哲理的《随笔集》,深深地影响了后世,至今仍在流传。

谈及做学问的方法论范式,培根打了一个很有意思的比方:“我们不应该像蚂蚁,单只收集;也不可像蜘蛛,只从自己肚里抽出丝;而应像蜜蜂,既采集、又整理,这样才能酿出香甜的蜂蜜来。”无疑地,这也才能确保获得可以征服自然的知识与力量。今天,人们更熟悉的是培根的一句名言——“知识就是力量”。 

引人关注的雪花结构

千百年来,人们不只是欣赏的飘逸、纯洁与美丽也有人注意到它的奇特形状早在公元前一百多年的西汉文帝时代有位名叫韩婴的诗人就在《韩诗外传》一书中指出:“凡草木花多五出,雪花独六出。”许多年过后,欧洲才有作品提及,雪花的基本形状是六角形。瑞典大主教奥拉夫·马格努斯(1490-1557)被认为是第一位做此记载的欧洲人士,他在1555年发表的一部自然史书中描述了雪晶,并绘制了图片。

17世纪初,雪花也吸引了德国天文学家、行星运动定律的创立者约翰内斯·开普勒(1571-1630)的眼。在写于1611年的一本名为《六角雪花》的小册子中,开普勒说,当他穿过布拉格的一座大桥时,他注意到落在衣服上的一片雪花,并因此思考它不可思议的几何形状。他认为这不可能是巧合:“这个原因不能通过材质寻找,因为水汽是无形且流动的,原因只能存在于某些机制中。”进而,他猜想,这个机制可能是冰“球”的有序堆积过程,而冰“球”代表了类似水这样的液体的最小自然单位。

大约20年后,法国数学家、哲学家勒内·笛卡尔(1596-1650)也迷倒在雪花的石榴裙下,他在观察笔记里发出了这样的赞叹:“完美的六边形啊!边是如此直,夹角是如此精准,粗手笨脚的人类简直没戏……我绝对想象不出来,这些完全对称的六角小精灵如何在自由的空气与狂躁的风中悠闲地降生。”

显微镜发明之后,雪花成了大受欢迎的观察对象。荷兰著名的显微镜专家安东尼·列文虎克(1632-1723)对雪花进行了细致的观察。接着,英国物理学家罗伯特·胡克(1635-1703)也在1665年出版的《显微术》一书中,展现了他借助显微镜画出的雪花图片,并对雪花晶体结构进行了阐述。这被看作是人类首次具体记录雪花的形态。

此后,对雪花的研究在很长一段时间内处于停滞状态。


雪花痴的贡献

1885年的一天,在美国蒙特州北部的杰里科镇,一个名叫威尔逊·本特利(1865-1931)的农民,借助一台旧式显微镜,用照相机拍下了第一套雪花照片。他写道:“在显微镜下,我发现雪花真美啊,简直就是奇迹。每一片雪花结晶都是一件艺术杰作,没有哪两片雪花是完全一样的。当一片雪花融化时,那个图案也就永远消失了。那样的美就这样消失了,没有留下任何痕迹。”

本特利许下心愿,用他的相机把美丽的雪花永久保存下来。几十年间,他总共拍摄了5381张雪花照片,其中一部分发表在《国家地理》和《科学美国人》杂志上。有一次他在给雪花照片分类时,用上了“漂亮女孩的微笑”这样一个文雅的名目。而他引发人们思索的那个话题——没有哪两片雪花是完全一样的,与他拍摄的数目惊人的雪花照片,让他在19世纪声名遐迩,尽管有人把他看作是“疯子庄稼汉”。1924年,本特利荣获美国气象协会颁发的研究一等奖。他还与一位物理学家合作撰写了《雪晶》一书。

1931年12月23日这一天,本特利的家乡暴风雪肆虐。身患肺炎的他仍坚持步行出去拍摄雪花,终因体力不支,倒在了雪花飞舞的荒野中。 

如今,科学家对水是如何结冰、小冰晶如何形成雪花等问题,已然有了一定的了解。科学史家认为,在这方面研究的一个个发现,其动力在很大程度上,要归功于“雪花痴”本特利那些精彩的雪花图片


以下图2为弗朗西斯·培根。

图3、4、5、6、7位威尔逊·本特利与他拍摄的雪花。

9说明:由水分子构成的冰晶形状就是由表面张力决定的,冰晶突起朝六个方向延伸,使得绝大多数不是全部雪花都是六边形。

  














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