摘要: 日本札幌北海道大学的两位物理学家，研究了一种许多小孩子每年圣诞节来临前都会观察到的现象： 从窗户往外看，可能会发现吊在屋檐下的冰柱，而好奇心较重的孩子可能想知道冰柱上为什么绕有一圈圈波纹，沿着冰柱等距分布。 这两位物理学家已经离开了孩提时代，但好奇心还在，不禁...
日本札幌北海道大学的两位物理学家，研究了一种许多小孩子每年圣诞节来临前都会观察到的现象： 从窗户往外看，可能会发现吊在屋檐下的冰柱，而好奇心较重的孩子可能想知道冰柱上为什么绕有一圈圈波纹，沿着冰柱等距分布。
这两位物理学家已经离开了孩提时代，但好奇心还在，不禁想亲自研究一下这个现象到底是怎么回事。他们的第一个发现是，无论冰柱多长、气温几度，两个波峰总是相距1厘米左右。于是两位科学家提出了一个理论模型，来解释这个令人奇怪的冰柱的共同结构。
冰柱是由沿着柱身流下的薄薄水层所形成的，一部分的水凝固了，其他的水从冰柱的尖端滴下。留下来的冰形状并不规则，因此两位科学家发现了两种相反的作用，能够解释这个神秘的波纹现象。
第一种作用是所谓拉普拉斯不稳定性，也就是积在冰柱表面凸出部分的冰比凹人部分的多，原因是冰柱凸出部分较容易受天气 影响，而凹入部分则受到凹陷保护，因此凸出处比凹入处更容易失 去热量，让冰柱上的波纹在这些部分愈长愈厚。另一种作用则是防 止波纹无限量增长，即所谓的吉布斯一汤姆森效应。这种效应是指从冰柱体上向下流的薄水层对温度有一种平衡作用，因此会阻止波纹大量生成。
这两位学者通过114条方程，得到结论：两个波峰之间的距离一定是1厘米左右。他们的分析还预测，波纹会逐渐往冰柱下方移动，速度约为冰柱增长速度的一半。两人希望未来可以很快以实验 来验证这个现象。
两位日本物理学家不是最先对寒冬现象产生兴趣的人。400年前，天文学家开普勒注意到，虽然每片雪花都不一样，但全都是六角形。发现这个现象后，他很高兴地动手写了一本小册子，在新年送给一个朋友。在这本名为《新年礼物或论六角雪花》的小册子里，开普勒试图解释这个现象。这位博学的科学家为这个神秘形状提出了几个可能的原因。他先试着找出冰晶六角形与蜂巢的关系，但失败了。他发现无法回答自己的问题之后，终于放弃了。他在小册的结语中表示，有一天化学家一定会找出雪花六角对称的真正原因。开普勒的预言实现了，但这是直到300年后的20世纪初，德国科学家冯劳厄在发明X射线晶体学后才完成的。只有靠这种新工具，才能看到并解释雪花晶体结构的秘密。
雪花晶体是由大气中盘旋而上的微尘粒子所形成的，当它们飘回潮湿的空气中时，水分子被吸附在凝结核（如尘埃粒子）上。就像自然界其他事物，分子会尽量维持在能量最低的状态。当温度在零下12至零下16摄氏度之间时，水分子便达到了这种状态，此时水分子的晶格排列方式会变成每个分子周围有另外4个分子包围，呈金字塔状结构。在X射线的帮助下，从上往下看，这种结构类似一个六角形。虽然六角尖端只有小小的突出，但已足以产生后续的作用：在空气中漂浮的水分子，总喜欢降落在这些突起上。于是尖端（或说是雪花的手臂）就像树枝般持续成长，直到肉眼也能看见，而这就是雪花的形成过程。
