冬天，许多地方都会下雪。身处温暖南方的人没有福气观赏雪后银装素裹的美景，也无机会堆雪人、带着孩子们打雪仗，只能通过电视新闻看哪儿哪儿下大雪了，或者透过互联网欣赏那些美丽的雪景。
欧洲，火车在雪中穿行
雪花很轻很小，在大自然云层中所产生的雪片通常只能长到1.3厘米直径，还不及一枚硬币大。每次下大雪，天空会纷纷扬扬飘下数以万亿计的雪片，这些雪片是什么样子的？它们完美对称吗？世界上存在两片长得完全一样的雪花吗？这些都是许多孩子心中的疑问。
要想搞清楚雪花是否完美，我们先得知道雪到底是如何产生的。
一簇刚刚掉落的雪花
过冷水与钻石尘
高空的云层十分寒冷，特别是在严寒的冬天，距离地面几千米高空云层中的温度常常会低至零下十几度甚至几十度。这些云团中有水分子、极微小的冰晶和极微小的水滴。
我们常说0℃是水的冰点，这个表述并不准确，实际上纯净的水在0℃时并不一定会结冰，只有达到-38℃以下时，水才会自动结冰。准确地说，0℃是常压下冰的熔点。
过冷水结冰实验
纯水在低温云层中会保持液态，冷云中充斥着无数0℃至-30℃的液体水滴，物理学上称之为过冷水。只有遇到杂质，比如空气中小小的灰尘，或者碰到另一颗冰晶，过冷水才会迅速凝结成冰。云层中的过冷水非常重要，我们常见的雨、雪甚至冰雹都需要它的参与才能形成。
小冰晶有一个很高大上的名字：“钻石尘”。它是呈六棱柱形状的细小晶体，在阳光下会闪闪发光，像钻石一样。
南极空气中钻石尘造成的阳光散射
为什么冰晶都是六棱柱形状？这与水分子的结合方式有关。
水由氢和氧原子构成，因为共享电子的关系，两个氢原子与同一个氧原子组成共价键，H-O-H键间呈106.6°夹角，当水凝结成冰时，水分子之间的氢键使其晶体呈现六边形结构。
冰的分子结构决定其晶体形状
如果没有杂质，纯净的水需要在-38℃以下才会主动结晶，但在有灰尘做凝结核时，水分子在0℃以下就可以在核上凝结成冰晶。水分子的凝结会填补所有凹凸不平留下的缺陷，使其更趋向于六棱柱的形态。
水分子的组合倾向
雪花的形成
六棱柱并不是冰晶的终点。在晶体顶端具有更强的电诱导性，空气中的水分子被这些角吸引，在角上堆积并形成新的结晶。
冰晶生长趋势
在水汽中的冰晶有这样的生长趋势，新的水分子会不断在冰晶的尖端进行堆积，在其六个角上形成新的分支，于是冰晶渐渐长成了雪花的模样：
从冰晶到雪花的积累过程
科学家在实验室环境下对冰晶的尖端施加2000V的电压，使其在-15℃寒冷水汽环境里迅速生长，只花了大约20分钟的时间，在冰晶的尖端就长出一朵美丽的雪花来。
雪花的生长过程
雪花的形状完美对称吗？
在自然状态下，你无法得到完美对称的雪花。
通过前节的介绍，我们知道了雪花是在高空寒冷云层中形成。水分子在冰晶各个角上生长，逐渐形成柱状或饼状的晶体，如果每一个角上都有水分子以相同的速度凝结，那么雪花应该是完美对称的六角形。
比较对称的雪花
但事实上，云层中水分子的分布并不能完全平衡，当冰晶在云中翻滚起落时，它的各个部分会经历不断变化的温度和湿度环境，尽管相对于雪花的尺寸来说这种变化非常细微，但这依然会对雪花各部分的对称性造成影响，进而影响每一个枝杈的发育情况。这在处于湿度更大的环境中、生长速度更快的雪片上面体现得格外明显，由于雪片在运动过程中其不同部位接触到过冷水滴的概率差异，最后导致雪片形状出现显著不对称。
明显不对称的雪花其实很普遍
世界上有完全相同的雪花吗？
这是一个颇具争议性的话题，尽管地球上的雪花数以亿亿计，但理论上并不存在两片完全相同的雪花。这是因为没有任何两片雪花诞生于完全相同的位置、完全一样的冰晶，并在同一时刻沿着完全相同的路径做完全相同的运动。即使你能找到两片外形相似的雪片，但就像是一对同卵双胞胎，他们总有些地方存在差异，比如指纹、虹膜或胎记等等。
科学家试图在严格受控的实验室环境下人为制造出两片完全相同的雪花，他们在一片玻璃上种植两粒冰晶，再将其放置在饱和水蒸气环境中冷却生长。水分子在相距很近的这两个冰晶上制造出了极其相似的“双胞胎”雪花，但最终也只能证明它们只是大体相似，如果你足够仔细，还是可以在它们中间找出些许不同。
双胞胎雪花找不同
雪花的生长受许多因素制约，比如温度和湿度：最大、最漂亮的雪花往往在-22℃~-10℃的条件下生长，在这个温度范围内，空气的湿度越高、水蒸气越饱和，雪花就越漂亮；-10℃~-3℃的云层中生成更多的是针状或管状的雪晶；而在低于-22℃的干冷云层中，冰晶生长的速度比较慢，这里会产生许多细小的雪粉或钻石尘。
雪花形状与温湿度的关系
除了温湿度会影响雪花的形状外，空气流动的速度、湍流、冷暖空气的交替变化，以及雪晶颗粒之间由于碰撞摩擦所产生的静电等等都是重要的影响因素。冰晶的生长行为取决于云物理学、水的相变、晶体表面的分子结构和动力学。这些要素如此复杂，以至于没有人真正了解它的一切。
总结：
当我们说雪花时，通常指的是雪晶，也就是由水分子组成的单体冰晶。在这个雪晶中，所有的水分子排列成精确的六边形阵列，因此显示出我们都熟悉的六重对称特征。
实验室生成的雪花，近乎完美
许多时候雪花是一个比较笼统的称呼，你会将一片雪晶称为雪花，有时也将一大团相互纠缠黏连在一起的雪晶称为雪花，本文所探讨的其实就是单一的雪晶。
通过对雪晶形成过程的分析，你应该了解：世上并没有绝对完美对称的雪花，也不存在两片完全相同的雪花。因为即使是一粒形状完美的冰晶，当空气中的水分子和过冷水滴在它的各个角上堆积生长时，其形状和大小也会导致细小的差别，这些小差异逐渐累积，最终将导致各个枝杈形状的明显差异；同样地，由于不存在以相同位置、相同形状、同时以相同轨迹运动的两片雪晶，生长条件的差异决定了世界上不存在两片完全相同的雪花。
或许这才是大自然的神奇之处吧！
