相同的雪花存在吗?
来源:中国气象报   发布时间:2019-12-25
分享到:0

  关于雪花的形态,有一个问题很热门——是否存在两片相同的雪花。随着问的人越来越多,这个问题几乎带上了几分佛教禅宗一样的味道。
  显然,人类是不可能检查所有雪花的形态的,但物理学家仍有方法解决这个问题。答案在很大程度上取决于不同人对问题的理解。简单地说,两片复杂的雪花完全相同的可能性极小。越是仔细观察,越能发现不同之处。
  如果将问题细化到纳米级别,那么雪花可以完全一样,因为自然界的某些事物就是完全相同的。例如所有电子——它无法被分解为更小的粒子,每一个都完全一样。
  组成雪花的水分子比电子复杂得多,并非所有的水分子都是完全一样的。水分子常理上由1个氧原子和两个氢原子组成,但每5000个自然产生的水分子中,就有一个由1个氘原子代替1个氢原子,而每500个自然产生的水分子中,就包含一个由氧-18(氧原子的重同位素)而非常规的氧-16组成的分子。
  典型的雪花大概包含1018个水分子,因此其中大概率会有一些水分子与众不同。这些不寻常的水分子将随机散布在整个雪花中,从而使其具有独特的外观。两个包含1018个水分子的雪花具有完全相同的分子布局的可能性非常小,其概率与零近乎没有差别。
  如果放宽定义,小雪花看起来会很相似。假设我们的标准是两片雪花在光学显微镜下看起来相似即可,那么我们很容易找到形态相似的雪花。但这仅适用于简单的六角形雪花。那更复杂的雪花晶体呢?
  更大,更复杂的雪花外观每片都不相同。自然界形成复杂雪花的方法数量惊人。打个比方来说,我们在书架上放15本书,第一本书有15种选择,第二本书有14种选择,第三本书有13种选择……最终有超过一万亿种方法可以放这15本书。而大自然在形成雪花时,面临的问题可能相当于安放100本书乃至更多,可能的排列数量就增加到10的158次方,这个数字大约是整个宇宙中原子总数的1070倍。
  因此,在整个地球历史上制造的所有复杂雪花中,不可能有两片看起来完全相同。(来源:The SnowCrystals 编译:刘钊)

(来源:《中国气象报》2019年12月20日四版 责任编辑:王美丽)
  

相关新闻