冬至已過，南北方的小夥伴們是否都收到了冬天的雪呢。但是你知道雪花為什麼是六角形嗎？
（圖片來自 故宮博物院）
六出飛花入戶時，
坐看青竹變瓊枝。
如今好上高樓望，
蓋盡人間惡路岐。
——出自唐代高駢的《對雪》
古人早已觀察到，雪花是六角形的，詩中的「六出」指的就是雪。晶瑩剔透，潔白無瑕，落雪紛紛，大地銀裝素裹。細看起來，似乎每片雪花都是不一樣的圖案。
（圖片來自網絡）
但值得注意的是，在上面雪花的圖案中，都是六角形的結構。這是為什麼呢？
首先要從物態變化說起。
在初中的物理課上，我們學到，物質具有常見的三種狀態，分別是固態、液態和氣態。水是液態，水蒸氣是氣態，固態的水有很多種，冰、霜、雪等都是固態的水。物質在固態、液態和氣態之間可以相互轉化，在發生物態變化的同時，會伴隨著吸熱和放熱現象。物態變化的過程可以分為三組：
第一組：固態和液態之間
熔化：固態→液態，伴隨吸熱
凝固：液態→固態，伴隨放熱
值得一提的是，物質有晶體和非晶體之分。晶體的固定的熔點和凝固點，非晶體則沒有。水是晶體，0℃就是水的凝固點，也可以說冰的熔點是0℃。
第二組：液態和氣態之間
汽化：液態→氣態，伴隨吸熱
液化：氣態→液態，伴隨放熱
需要注意的是，汽化又有兩種方式，分別為蒸發和沸騰。蒸發是在液體表面發生的，比較緩慢；沸騰是在液體表面和內部同時發生的，比較劇烈。在標準大氣壓下，水的沸點是100℃。
第二組：固態和氣態之間
升華：固態→氣態，伴隨吸熱
凝華：氣態→固態，伴隨放熱
三組變化可以用下圖表示，便於記憶。
液態的水在溫度降到0℃時，開始結冰，是凝固過程。氣態的水蒸氣在0℃，直接凝結成霜，是凝華。雪的形成也是凝華，高空中的雲中含有大量的水蒸氣，在溫度低於0℃的時候，可以直接發生凝華現象，形成雪。
雪花為什麼是六角形呢？
雪花是水蒸氣凝華時形成的晶體。晶體具有天然的、規則的幾何形狀。比如食鹽晶體是正六面體形（即正方體），明礬晶體總是八面體形，天然石英晶體（俗稱水晶）的中間是一個六稜柱，兩端是六稜錐。如下圖所示。
雪花晶體屬於四軸六方晶系。四軸六方晶系一般具有如下圖的結構，有a1、a2、a3、c四個軸。大多數情況下，我們見到的雪花是六角形，是因為雪花晶體在生長的過程中，沿a1、a2、a3這三個軸的方向生長較快，而沿c軸方向生長較慢。這樣就形成片狀的六角形雪花了。
雪花一定是六角形嗎？
並不是。雲層中，從一粒塵埃開始，水蒸氣附著在塵埃上凝結，沿六個方向快速生長，而在垂直的方向上生長緩慢。生長的過程中，每個方向的分支又逐漸出現新的分支，進而形成各種各樣的圖案。
（圖片來自http://snowcrystals.com/）
加州理工學院的Ken Libbrecht教授深入研究晶體生長的分子動力學，包括冰晶是如何從水蒸氣中生長出來的，這基本上就是雪花的物理性質。
Ken Libbrecht教授通過研究總結了35種雪花的類型，基本可以涵蓋絕大多數人們日常可以見到的雪花。如下圖。
（圖片來自http://snowcrystals.com/）
列舉其中幾個常見的雪晶近距離欣賞。
針狀雪花：
稜狀雪花：有的是薄片狀的，而有的則是柱狀的。
星盤形雪花：
松針形雪花：在溫度的影響下，晶體的邊緣不再平滑，演變成一種尖銳的結構
樹枝星狀雪花：
此外還有很多種形狀雪花晶體，不一一列舉。大自然的鬼斧神工，真讓世人驚嘆！
有興趣的讀者可以訪問Ken Libbrecht教授關於雪花的網站，閱讀更多的信息，網址為http://snowcrystals.com/。此外，Ken Libbrecht教授就這個話題還寫了幾本書，包括《雪花：冬天的冰凍藝術》、《雪花的秘密生活》、《雪花的藝術》和《雪花野外指南》，這些書籍在亞馬遜網站可以買到。還可以通過電子郵件kgl@caltech.edu聯繫到他。
為什麼會形成如此豐富的不同形狀的雪花呢？雪晶的生長方式很大程度上取決於雲層中的溫度和溼度。這在下面的雪晶形態圖中進行了總結。這幅圖片也被稱為中山圖，以日本物理學家中山英一郎（Ukichiro Nakaya）的名字命名，他在20世紀30年代通過在實驗室中培育雪晶發現了這種行為。
圖中表明，最大、最常見的雪花只生長在-15℃的狹窄溫度範圍內。在-6℃時，形成的雪晶是針狀的。當溫度隨晶體生長而變化時，會出現帶帽柱狀的雪晶。注意這裡說的都是雲層中的溫度，地面上的溫度通常要高得多。
那麼，到底有多少種不同類型的雪花呢？Ken Libbrecht教授已經列出了常見的表單，但是完整的列表是什麼呢？隨著時間的推移，雪花類型的表格變得越來越大。在20世紀40年代，最大的分類表包括41個成員。這個數字在20世紀60年代躍升到80個，最近出現了一個新的表，上面有121種不同的雪花類型。事實上，這個問題沒有答案。不同的雪花類型沒有絕對的分類，也永遠不會有。
當雪再次降臨的時候，你可以用手輕輕接住飄落的雪花，細心端詳，說不定，你就會發現——化成水了。
當雪再次降臨的時候，你可以用厚厚的手套輕輕接住飄落的雪花，細心端詳，說不定，你就會發現一個新的雪花的圖形！拿起畫筆，描繪出屬於你自己的雪花圖集吧！
本文為作者：1024講物理原創文章。簡介：物理教師，致力於初、高中物理知識，答疑解惑，物理科普。轉載請聯繫授權。本文來源於物理好教師籤約作者1024講物理，轉載請聯繫授權。