为什么每片雪花形状各异，但一片雪花的六个方向形状基本相同？
一片雪花，是大自然最精巧的艺术品，也是最令人着迷的谜题之一。我们常说“世上没有两片完全相同的雪花”，这似乎成了对雪花独特性的普遍认知。但如果我们仔细观察，会发现一个更加奇妙的现象：尽管每一片雪花都是独一无二的，但构成它的那六个“臂膀”或“分支”，在同一个雪花内部，却有着惊人的相似性。 为什么会这样呢？这背后涉及的是物理学、化学以及一点点概率的巧妙 interplay。
要理解这个现象，我们首先要从雪花诞生的源头——水分子说起。
水分子：微观世界的规则制定者
水分子（H₂O）的结构很简单，一个氧原子连接着两个氢原子。但关键在于，这个连接并不是简单的直线。氧原子稍微偏向一侧，使得氢原子端带有轻微的正电荷，而氧原子一侧则带有轻微的负电荷。这种电荷分布不均，使得水分子呈现出一种“弯曲”的形状，并且拥有了偶极矩。
这种偶极矩意味着水分子之间会产生氢键。简单来说，就是带正电的氢原子会被另一个水分子上带负电的氧原子吸引。这种氢键虽然不像化学键那样牢固，但足以在特定条件下，引导水分子以非常规则的方式排列。
冰晶的六方结构：大自然的骨架
当空气中的水蒸气在高空（通常在零度以下）遇到极小的尘埃颗粒或污染物（这些被称为“凝结核”）时，水蒸气就会附着在上面，并开始结晶。结晶的过程，就是水分子按照它们的内在规律，开始“手拉手”组成固体的过程。
而水分子最喜欢、也最稳定的排列方式，恰恰是六方对称的。这是因为水分子中的氢键角度，最适合形成一个六边形的晶格结构。你可以想象一下，就像乐高积木一样，水分子找到了一种最“契合”的方式，将自己堆叠起来。
当水分子遇到“环境”：雪花形态的诞生
一旦冰晶开始形成，它就会像一个微小的胚胎，开始在它所处的环境中“生长”。而这个“环境”，就是决定雪花最终形态的关键。
高空中，空气并非完全静止。它充满了细微的流动、温度的波动、湿度的变化，甚至还有其他微粒的存在。这些微观的环境因素，会影响到正在形成的冰晶表面的生长速度。
生长速度的差异：雪花“长”出什么样子
冰晶的生长不是均匀的。水分子会从空气中扩散过来，附着在冰晶的表面。但是，冰晶的不同部位，暴露在空气中的“面积”和“角度”可能略有不同，再加上周围微小的空气流动，会导致某些部位比其他部位更快地获得水分子。
核心对称性：为什么六个臂膀相似？
现在，让我们回到最初的问题：为什么一片雪花内部的六个分支如此相似？
这是因为，在雪花形成的绝大多数时间里，它是作为一个整体暴露在同一段“生长历史”中的。 想象一下，一片雪花从一个小的六角形冰晶开始，然后向外“长”出六个臂膀。在它生长的过程中，如果它在某个时刻，它的某个“臂膀”接触到了一个相对湿润（水分子更多）或温度略有不同的区域，那么这个“臂膀”就会更快地生长。
然而，由于水分子是从中心向外扩散并附着在整个冰晶表面的，无论哪个“臂膀”受到环境的影响，这种影响都大致是同时、并且以一种“扩散”的方式作用于整个雪花。 也就是说，如果外部环境使得冰晶的“生长速率”整体加快，那么六个臂膀都会同时加快；如果外部环境在某个方向上“阻碍”了生长，那么六个臂膀也都会在这个方向上受到类似的“阻碍”。
更形象地说，就像一个小孩在吃一块形状不规则的蛋糕。如果这块蛋糕的中心是甜的，那么无论孩子从哪个方向下嘴，他都能尝到甜味。而雪花的六个分支，就是这个“蛋糕”的六个“切面”，它们受到来自“蛋糕中心”——即最初的六角形冰核——的生长指令，并通过与外界环境的互动，将这些指令“翻译”成它们各自的形态。
随机性与决定性：独一无二的秘密
那么，为什么不同的雪花又会如此不同呢？
这就是随机性在起作用了。每一片雪花在它上升和下落的过程中，所经历的微观环境的变化路径都是独一无二的。
轨迹不同：一片雪花可能在上升过程中遇到了一片水汽特别充沛的云层，而另一片则可能正好错过了。
碰撞不同：它们可能在空中与其他冰晶或微小的颗粒发生碰撞，这些碰撞会改变它们的表面结构，从而影响后续的生长。
温度和湿度的细微变化：就算两片雪花在空中擦肩而过，它们在极短时间内经历的温度和湿度的细微波动，也会导致生长速度的微小差异。
这些无数个微小的、不可预测的差异累积起来，就导致了最终雪花形态的巨大不同。
打个比方：
你可以把一片雪花的形成想象成一个人在参加一场马拉松。
六方对称性就像是这个人在参加一场有明确赛道的比赛，赛道的基本形状（六边形）是固定的。
六个臂膀的相似性就像是这个人在这场马拉松中，无论他跑到哪个阶段，他“跑”这个动作本身（向前伸腿、摆臂）的原理和节奏是相似的。
每片雪花形状各异就像是每个人在马拉松中，即便都在同一赛道上，但每个人跑步的姿势、速度、遇到的风阻、偶尔踢到的石子（比喻微观环境变化），都会让他们最终的“到达姿态”变得千差万别。
总结来说：
雪花的六方对称性是源于水分子本身形成的冰晶骨架的内在属性。而一片雪花内部六个分支的相似性，则是因为它们在大部分生长过程中，受到同一套宏观环境条件（尽管有微小的局部差异）的同步影响，并且这些影响是通过从中心向外的扩散来实现的。
至于每片雪花最终的独一无二，则是由于它们在形成过程中所经历的无数个微观环境的随机变化，这些变化路径的差异，最终导致了它们呈现出千姿百态的面貌。
所以，下次当你看到一片雪花时，不妨仔细观察它那精巧的六边形对称性，然后赞叹一下，它在如此短暂的生命周期里，如何巧妙地将来自大自然的宏观规律和微观随机性融为一体，创造出如此惊艳的艺术品。
要理解这个现象，我们首先要从雪花诞生的源头——水分子说起。
水分子：微观世界的规则制定者
水分子（H₂O）的结构很简单，一个氧原子连接着两个氢原子。但关键在于，这个连接并不是简单的直线。氧原子稍微偏向一侧，使得氢原子端带有轻微的正电荷，而氧原子一侧则带有轻微的负电荷。这种电荷分布不均，使得水分子呈现出一种“弯曲”的形状，并且拥有了偶极矩。
这种偶极矩意味着水分子之间会产生氢键。简单来说，就是带正电的氢原子会被另一个水分子上带负电的氧原子吸引。这种氢键虽然不像化学键那样牢固，但足以在特定条件下，引导水分子以非常规则的方式排列。
冰晶的六方结构：大自然的骨架
当空气中的水蒸气在高空（通常在零度以下）遇到极小的尘埃颗粒或污染物（这些被称为“凝结核”）时，水蒸气就会附着在上面，并开始结晶。结晶的过程，就是水分子按照它们的内在规律，开始“手拉手”组成固体的过程。
而水分子最喜欢、也最稳定的排列方式，恰恰是六方对称的。这是因为水分子中的氢键角度，最适合形成一个六边形的晶格结构。你可以想象一下，就像乐高积木一样，水分子找到了一种最“契合”的方式，将自己堆叠起来。
当水分子遇到“环境”：雪花形态的诞生
一旦冰晶开始形成，它就会像一个微小的胚胎，开始在它所处的环境中“生长”。而这个“环境”，就是决定雪花最终形态的关键。
高空中，空气并非完全静止。它充满了细微的流动、温度的波动、湿度的变化，甚至还有其他微粒的存在。这些微观的环境因素，会影响到正在形成的冰晶表面的生长速度。
生长速度的差异：雪花“长”出什么样子
冰晶的生长不是均匀的。水分子会从空气中扩散过来，附着在冰晶的表面。但是，冰晶的不同部位，暴露在空气中的“面积”和“角度”可能略有不同，再加上周围微小的空气流动，会导致某些部位比其他部位更快地获得水分子。
核心对称性：为什么六个臂膀相似？
现在，让我们回到最初的问题：为什么一片雪花内部的六个分支如此相似？
这是因为，在雪花形成的绝大多数时间里，它是作为一个整体暴露在同一段“生长历史”中的。 想象一下，一片雪花从一个小的六角形冰晶开始，然后向外“长”出六个臂膀。在它生长的过程中，如果它在某个时刻，它的某个“臂膀”接触到了一个相对湿润（水分子更多）或温度略有不同的区域，那么这个“臂膀”就会更快地生长。
然而，由于水分子是从中心向外扩散并附着在整个冰晶表面的，无论哪个“臂膀”受到环境的影响，这种影响都大致是同时、并且以一种“扩散”的方式作用于整个雪花。 也就是说，如果外部环境使得冰晶的“生长速率”整体加快，那么六个臂膀都会同时加快；如果外部环境在某个方向上“阻碍”了生长，那么六个臂膀也都会在这个方向上受到类似的“阻碍”。
更形象地说，就像一个小孩在吃一块形状不规则的蛋糕。如果这块蛋糕的中心是甜的，那么无论孩子从哪个方向下嘴，他都能尝到甜味。而雪花的六个分支，就是这个“蛋糕”的六个“切面”，它们受到来自“蛋糕中心”——即最初的六角形冰核——的生长指令，并通过与外界环境的互动，将这些指令“翻译”成它们各自的形态。
随机性与决定性：独一无二的秘密
那么，为什么不同的雪花又会如此不同呢？
这就是随机性在起作用了。每一片雪花在它上升和下落的过程中，所经历的微观环境的变化路径都是独一无二的。
轨迹不同：一片雪花可能在上升过程中遇到了一片水汽特别充沛的云层，而另一片则可能正好错过了。
碰撞不同：它们可能在空中与其他冰晶或微小的颗粒发生碰撞，这些碰撞会改变它们的表面结构，从而影响后续的生长。
温度和湿度的细微变化：就算两片雪花在空中擦肩而过，它们在极短时间内经历的温度和湿度的细微波动，也会导致生长速度的微小差异。
这些无数个微小的、不可预测的差异累积起来，就导致了最终雪花形态的巨大不同。
打个比方：
你可以把一片雪花的形成想象成一个人在参加一场马拉松。
六方对称性就像是这个人在参加一场有明确赛道的比赛，赛道的基本形状（六边形）是固定的。
六个臂膀的相似性就像是这个人在这场马拉松中，无论他跑到哪个阶段，他“跑”这个动作本身（向前伸腿、摆臂）的原理和节奏是相似的。
每片雪花形状各异就像是每个人在马拉松中，即便都在同一赛道上，但每个人跑步的姿势、速度、遇到的风阻、偶尔踢到的石子（比喻微观环境变化），都会让他们最终的“到达姿态”变得千差万别。
总结来说：
雪花的六方对称性是源于水分子本身形成的冰晶骨架的内在属性。而一片雪花内部六个分支的相似性，则是因为它们在大部分生长过程中，受到同一套宏观环境条件（尽管有微小的局部差异）的同步影响，并且这些影响是通过从中心向外的扩散来实现的。
至于每片雪花最终的独一无二，则是由于它们在形成过程中所经历的无数个微观环境的随机变化，这些变化路径的差异，最终导致了它们呈现出千姿百态的面貌。
所以，下次当你看到一片雪花时，不妨仔细观察它那精巧的六边形对称性，然后赞叹一下，它在如此短暂的生命周期里，如何巧妙地将来自大自然的宏观规律和微观随机性融为一体，创造出如此惊艳的艺术品。
网友意见
我记得有人做过人工控制环境，形成雪花的过程，在非常精确的控制生长过程，会得到非常相似的两片雪花（完全一致就不大可能了，存在随机性）
雪花的形状，是由雪花形成的当前边界形状，和周围温度、湿度的函数。雪花形成有这么几个能量相互作用：
1 雪花形成晶体，在特定的恒定温度下，不同晶体表面的自由能不同，雪花倾向于形成简单的晶体形状，并且自由能低的面生长更快，比如超高空的雪花，都是简单的六柱居多。
2 当温度变化时，尖端和边的生长速度不同 。这是由于散热速度不同，温差造成的，晶体总是倾向于沿着“热差、温差、电势差”等方向生长，这造成了雪花的尖刺，或者说枝晶。在水热法制备纳米材料的实验中，可以看到均匀的升温过程中，会产生毛刷状的周期枝晶现象，因为枝晶也会影响散热。
3 当温度上升时，雪花会半融化，形成表面的水膜，水膜会按照表面张力分布
4 雪花的外形也会影响雪花的存在环境，因为在雪花明显大于1毫米后，片状雪花明显比柱状雪花掉落的慢，这会造成中部云层中，大的片状雪花明显多于柱形的结果
总之，雪花的形状显然是雪花经历的温度、湿度环境的积分过程的一个结果，大致是由结冰历史决定的。对于一群雪花而言，每个雪花经过的温度、湿度环境显然不尽相同（雪花在云层中形成时会因为气流反复上下飘动，而云层不同位置温度和湿度显然并不相同），形状差别自然很大。对于一片雪花而言，这么小的环境内，温度和湿度几乎是近似完全相同的，六个角的形状自然就非常相似了。如果你能够在人工环境内，从人造晶核开始，通过完全一致的环境变化制造两片雪花，那么这两片雪花就可以是非常相似的。
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