冒牌自然老師: 耶誕節雪花(snowflake)

加州理工學院物理系教授Kenneth G. Libbrecht所拍攝的雪花照片

耶誕節雪花(snowflake)

文/陳育霖

不管你認為應該稱作聖誕節或者耶誕節, 北半球在每年12月25日這幾天的天氣確實容易讓人跟聖誕老公公的穿著打扮及交通工具做聯想, 雪花(snowflake)於是成為這段時間重要的象徵印記, 商店、學校的玻璃上面都長滿了各式各樣的雪花.

但是雪花的形狀在人類的既定印象當中, 究竟是如何形成的, 為什麼所有做櫥窗設計的人都把雪花做成正六邊形.

世界上最早拍到雪花顯微照片的人是Wilson Bentley, 1885年1月15日, Wilson Bentley當時19歲, 在歷經兩年不段嘗試之後成功拍出雪花顯微照片, 對於當時其他攝影師以及科學家都影響極大.

Wilson Alwyn Bentley(1865-1931), 1865年2月9日, 出生在美國新英格蘭州Jericho, Vermont的一個農場. 家裡面的兄弟都在家裡學習, 由他的母親親自教育。他的父親教他如何種田. Wilson Alwyn Bentley身為一個農家子弟, 他的生活可以接近大自然, 相當適合Bentley, 因為他天生喜歡自然科學和研究氣象學。他生性十分好奇，尤其對於雪. 15歲生日, 他的母親送了一台顯微鏡給Bentley. 他通過顯微鏡研究雪花的結晶，Bentley很驚訝雪花的美麗, 複雜性和多樣性. 他試圖透過觀察放大的雪花晶體來描繪雪花的外型，但是往往都是在完成之前，雪就融化了. 於是他決心嘗試利用攝影的方法來捕捉精緻雪花晶體的複雜幾何外型.

在19世紀末期, 相機是一項昂貴的新技術. Wilson Bentley的父親認為相機是不必要的奢侈品, 他不明白為什麼Wilson Bentley會需要一台如此花錢的“玩具”。幸運的是, Bentley的母親改變父親的心意，Bentley在十七歲那年家裡幫他買了一部相機和新的顯微鏡.

歷經兩年的艱苦試驗, 1885年1月15日, Bentley在19歲那年, 他開創了獨一無二的創新技術, 拍到了世界第一張雪花晶體的顯微照片. 當照片首度公開, 科學界和專業攝影師同時質疑Bentley的技術能力和照片圖像的真實性. 然而經過時間與同行的考驗, Bentley的成就終於還是受到了肯定. 兒時對雪花的好奇延伸到了顯微攝影技術的進展及科學的研究. Bentley致力於攝影和雪與其它大氣科學現象的研究。

對於 Jericho, Vermont當地人而言, Wilson Bentley是個沉默寡言的雪花科學怪人"Snowflake Man". 然而Wilson Bentley私底下是一位善感聰明又富有物理直覺的科學家, 同時還是個多才多藝的音樂家. 他會演奏鋼琴、管風琴、小號、小提琴、豎笛, 還為社區管樂隊作曲. 但多數人對他的印象都是, 手抱攝影機、筆記本衝向天空剛降下的瑞雪.

雪花的無限魅力驅使了Wilson Bentley對創新攝影技術的動力與科學研究的好奇. Bentley詳細記載了天氣變化的狀況與攝影拍攝技術的細節. Wilson Bentley總共寫滿了9本筆記本, 詳細記錄了前後歷時47年的天氣現象觀察結果與分析. 這些紀錄與豐富的雪花結晶照片提供了氣象研究中關於天氣日變化的重要資訊.
Bentley在1931年出版的Snow Crystals中分門別類收錄了2400種不同樣是雪花結晶, 是當今最早將雪花形狀做科學分類的人. 多數人後來對雪花形狀的精準印象應該來自於班先生的偉大貢獻.

Wilson Bentley33歲起(1898年), 針對氣象、雪花晶體、霜(frost)、露(dew)、雨滴與雪花顯微照片, 總共公開發表49篇科普與11篇技術性的文章. 當中還包含大英百科全書(Encyclopedia Britannica)當中"snow"這個詞的解釋內容. 雖然在他的生涯當中, 正式的科學社群總是極力忽略他的研究成果, 但是1920年他仍然獲頒美國氣象學會會士(Fellow of the American Meteorological Society)的榮銜與肯定.

1954年, 出身日本的中谷宇吉郎(Ukichiro Nakaya)出版了Snow Crystals: Natural and Artificial, 成為第一位研究雪花結晶過程的學者. 他有系統地在實驗室中, 有效控制各個變因來研究人造雪花結晶的整個過程. 中谷先生, 日本東京帝國大學物理系畢業, 京都帝國大學博士, 原本是核子物理學家任教日本北海道大學, 北海道大學既缺經費又沒設備, 只有供應不絕的白雪, 所以中谷宇吉郎只好開始研究雪花. 分析超過3000張雪花顯微照片, 中谷宇吉郎對於自然界的雪花作出最普適的分類. 1935年建立了低溫科學實驗室, 隔年成功製造出第一個人造雪花結晶. 在實驗室裡中谷宇吉郎有效控制物理條件來研究雪花晶體成長的物理機制. 這使得科學家可以從外型來得知雪花成長的環境條件. 比Wilson Bentley的雪花照片多了許多物理內涵.

現代版的雪花專家是來自美國天才搖籃加州理工學院(Caltech, California Institute of Technology)物理系教授Kenneth G. Libbrecht專長天文物理, 2003年起出過7本關於雪花(Snowflake)的專書. 他的研究專長不太好分類, 雷射干涉儀重力波觀測站(LIGO, the Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory)的高階感測器研發、冰晶內部晶體成長與對稱性形成的物理機制、電趨晶體結構成長、可調控二極體雷射於物理教育的應用. 相當不同於早年他在普林斯頓唸博士作的太陽日震學、太陽的大尺度結構與單一原子的捕捉與雷射致冷.
近幾年Kenneth G. Libbrecht顯然把天份、興趣與美感全部發揮到極致, 發表的論文就是討論晶體成長動力學, 還架了網站展示雪花晶體照片, 2010年獲頒Lennart Nilsson基金會的科學攝影獎Lennart Nilsson Award的時候, 得獎原因提詞就是"表彰他的雪花照片將數學、物理、化學轉化成美麗的照片"(For his photographs of snowflakes, which turn mathematics, physics and chemistry into images of great beauty).