瓦薩學院化學教授米里亞姆·羅西提供了以下回復
雪花是對稱的,因為它們反映了水分子在固態(結晶過程)排列時的內部秩序。固態的水分子,例如冰和雪中的水分子,彼此之間形成弱鍵(稱為氫鍵)。這些有序的排列形成了雪花基本的對稱六邊形形狀。實際上,雪花有很多不同的型別(正如“沒有兩片雪花是相同的”這句老話所說的那樣);這種差異的產生是因為每片雪花都是一個單獨的晶體,它受到形成它的特定大氣條件,特別是溫度和溼度的影響。
第二個問題與雪花的形成方式有關。雪花(或任何物質從液態變為固態)的生長過程被稱為結晶。在這個過程中,分子(在本例中是水分子)會自我排列,以最大化吸引力並最小化排斥力。結果,水分子按照預定的空間和特定的排列方式排列。這個過程很像按照特定的圖案鋪地板:一旦選擇了圖案並放置了第一塊瓷磚,那麼所有其他瓷磚都必須放置在預定的空間中,以保持對稱圖案。水分子只是簡單地排列自身以適應空間並保持對稱性;透過這種方式,形成了雪花的不同分支。
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霍華德·T·埃文斯,小,一位X射線晶體學家,現任美國地質調查局榮譽科學家,補充了一些細節
雪花是神秘的東西。它們的基本形狀源於冰晶中水分子的排列。當液體凍結時,分子傾向於穩定在最低能量狀態,這幾乎總是涉及某種形式的對稱性。對稱性越高,晶體越穩定。
當溫度降至冰點以下時,在蒸汽中自由漂浮的水分子開始將自身排列成晶體固體。分子的兩個氫原子傾向於吸引相鄰的水分子。當溫度(熱運動)足夠低時,分子連線在一起形成一個具有嚴格六邊形對稱性的固體開放框架。
但是為什麼雪花的形狀如此複雜?沒有人對此有很好的答案。一般的解釋是雪花形成於大氣層中,那裡的條件非常複雜且多變。一個晶體可能以一種方式開始生長,然後在幾分鐘甚至幾秒鐘後,某些東西發生變化(溫度或溼度),因此它開始以另一種方式生長。六邊形對稱性得以保持,但冰晶可能會向新的方向分支。與單片雪花的大小相比,環境條件的變化發生在很大的區域,因此雪花的所有區域都受到類似的影響。最終,會出現各種各樣的形狀:從稜柱和針狀到熟悉的網狀雪花。水是一種神奇的物質!
答案最初發佈於1999年10月21日。