瓦萨学院化学教授米里亚姆·罗西提供了以下回复
雪花是对称的,因为它们反映了水分子在固态(结晶过程)排列时的内部秩序。固态的水分子,例如冰和雪中的水分子,彼此之间形成弱键(称为氢键)。这些有序的排列形成了雪花基本的对称六边形形状。实际上,雪花有很多不同的类型(正如“没有两片雪花是相同的”这句老话所说的那样);这种差异的产生是因为每片雪花都是一个单独的晶体,它受到形成它的特定大气条件,特别是温度和湿度的影响。
第二个问题与雪花的形成方式有关。雪花(或任何物质从液态变为固态)的生长过程被称为结晶。在这个过程中,分子(在本例中是水分子)会自我排列,以最大化吸引力并最小化排斥力。结果,水分子按照预定的空间和特定的排列方式排列。这个过程很像按照特定的图案铺地板:一旦选择了图案并放置了第一块瓷砖,那么所有其他瓷砖都必须放置在预定的空间中,以保持对称图案。水分子只是简单地排列自身以适应空间并保持对称性;通过这种方式,形成了雪花的不同分支。
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霍华德·T·埃文斯,小,一位X射线晶体学家,现任美国地质调查局荣誉科学家,补充了一些细节
雪花是神秘的东西。它们的基本形状源于冰晶中水分子的排列。当液体冻结时,分子倾向于稳定在最低能量状态,这几乎总是涉及某种形式的对称性。对称性越高,晶体越稳定。
当温度降至冰点以下时,在蒸汽中自由漂浮的水分子开始将自身排列成晶体固体。分子的两个氢原子倾向于吸引相邻的水分子。当温度(热运动)足够低时,分子连接在一起形成一个具有严格六边形对称性的固体开放框架。
但是为什么雪花的形状如此复杂?没有人对此有很好的答案。一般的解释是雪花形成于大气层中,那里的条件非常复杂且多变。一个晶体可能以一种方式开始生长,然后在几分钟甚至几秒钟后,某些东西发生变化(温度或湿度),因此它开始以另一种方式生长。六边形对称性得以保持,但冰晶可能会向新的方向分支。与单片雪花的大小相比,环境条件的变化发生在很大的区域,因此雪花的所有区域都受到类似的影响。最终,会出现各种各样的形状:从棱柱和针状到熟悉的网状雪花。水是一种神奇的物质!
答案最初发布于1999年10月21日。