顯微鏡下的雪花長什麼樣?可能和你想象的大不相同 | 張超

雖然說我們現在的科學已經非常發達了,我們知道了很多很多東西,但是我們身邊的東西

是不是真正地被我們完全洞悉了?

張超·國家天文臺《中國國家天文》雜誌 科普作家

格致校園第24期 | 2020年4月15日 北京

要說人啊,真得有點夢想,說不定什麼時候就實現了呢。

其實我小時候就有這麼一個夢想。當時我看了很多的動畫片,記得有的動畫片片頭會出現很多奇妙的圖案,比如說池谷-關彗星,比如小行星帶,還有一些用顯微鏡去拍攝的畫面,太神奇了。當時我就想了一件事:我什麼時候能有一個望遠鏡或者顯微鏡,那就太棒了。

後來我到了國家天文臺工作,望遠鏡自然就不愁了,但是顯微鏡這件事還真有點難。

其實到了中學都會用到顯微鏡,我們用顯微鏡第一個看洋蔥細胞、口腔細胞;到了高中,還要看有絲分裂、減數分裂。我當時就著急啊,老師什麼時候能借我一臺顯微鏡,我好看看這神奇的微觀世界,那是多爽的一件事,可惜沒有這個機會。

不過後來我發現,如果自己買一臺顯微鏡放在家裡,這些事不都解決了嗎?

上了大學之後,我真就幹了這麼一件事,買了一臺顯微鏡。於是我那個時候第一次看到了這樣漂亮的畫面。

這是藻類,各種各樣的藻類,它在水裡頭遊,各種變化身姿,非常的神奇。這個微觀世界有意思。接下來我就開始繼續我的探索之旅。

我們身邊的微觀世界

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我們探索什麼呢?首先從身邊開始,我們身邊會有一些比較奇怪的東西,雖然平常很熟悉它,但是放在微觀世界就不認識了。

比如說這個東西,這不是金字塔,這是鹽,鹽的微觀結晶。

這個也不是油畫,它是醬油的結晶

這個也不是油畫,它是醬油的結晶。

這個也不是油畫,它是醬油的結晶

再比如這個,它也不是孔雀的羽毛。它是什麼?它是味精的結晶。

這不是蒼蠅,這個東西比蒼蠅小得多,叫做果蠅。果蠅可是生物裡面非常重要的、對遺傳學有非常大貢獻的一種生物。

小小的果蠅大概也就一兩個毫米,它的眼睛是紅色的,微觀看來是兩個大大的複眼。注意啊,是複眼,每個眼睛是由很多小的單元組成的,非常的好玩。

蚊子長這樣,沒想到吧,

蚊子長這樣,沒想到吧,蚊子眼睛特別漂亮,五色斑斕的。

看完這張圖我就明白了一件事。什麼事呢,大家有沒有發現,這幾年的蚊子越來越精、越來越不好打了。我記得我小時候徒手抓蚊子、拍蚊子一點事沒有。現在蚊子一見著我,好傢伙,施展兩項技能:第一個隱身,不知道飛到什麼地方,沒了;第二個技能,折著跟頭飛,這是我們長期用電蚊拍,把它們馴精了。

你看這個蚊子的複眼,包裹得滿頭都是,所以它看人是無死角的。你試著逮一個蚊子腿試試,你逮不著。所以微觀上看它的生物特性非常明顯,很清楚。

再比如說這是什麼?螞蟻

再比如說這是什麼?螞蟻。兩邊兩個複眼,上面像二郎神,三個單眼。

再比如說,這是一種蜘蛛,它的名字應該叫蟹蛛,

再比如說,這是一種蜘蛛,它的名字應該叫蟹蛛,像螃蟹的蜘蛛。

這個蜘蛛比較好玩,我們看每個蜘蛛的表情都不太一樣,比如上圖這個很呆萌,還有下面這樣的,你說同樣是蜘蛛,怎麼表情差異這麼大呢?

其實你分析分析它們的長相,以及它們的一些習性的話,你就會發現,這個事情確實有些好玩。

比如剛才呆萌的這種蜘蛛是什麼習性呢?它是喜歡伏擊狩獵的。比如在一朵花上一待,身體顏色一變化,跟那花差不多了。然後就等著,等著獵物來了一逮。

下面這個就不是了,這種蜘蛛叫跳蛛,它不結網,會跳著去捕獵。也就是說,它是一種主動狩獵的蜘蛛。它的眼睛就有點不一樣了,前面兩個像大燈泡似的。為什麼會長成這個樣子呢?

大家可以跟我一起互動一下,做一個小實驗。首先大家把一隻手指伸出來,放在眼前;然後咱們閉上一隻眼,然後用另一隻手的手指去戳伸出的這根手指。多戳幾次,你會發現有的時候,你好像判斷不出手指的位置,會戳歪。這是怎麼回事呢?

你看,我們長兩隻眼睛是有用的,

你看,我們長兩隻眼睛是有用的,我們有兩隻眼睛,才能判斷一個物體的距離,進行準確的定位。

所以在非洲大草原上我們會看到什麼場景?一隻羚羊在前面狂奔,後邊一隻豹子狂追,你從來沒有看到羚羊回頭看著豹子追吧?因為羚羊的眼睛長在兩邊,它的眼睛視場非常大。但是豹子不是,為了精確定位獵物,它需要看前邊,這樣才能去捕獵。微觀圖景下,就把它們兩個的不同明顯給區分開了。

世界上有很多人喜歡收集各種地方的沙子。這是來自印度尼西亞海灘的沙子,裡邊有好多好多小動物的殘體。比如說三個岔的那是海綿,長得像胡蘿蔔的那是珊瑚,長得像粽子的是有孔蟲。

這個叫星沙,也是有孔蟲堆積而成的沙灘

這個叫星沙,也是有孔蟲堆積而成的沙灘。

這個叫星沙,也是有孔蟲堆積而成的沙灘

這是內陸的沙子,它們來自戈壁灘,裡邊是一些小的瑪瑙球。

再比如說,這是火山口湖旁邊的沙子,裡面有

再比如說,這是火山口湖旁邊的沙子,裡面有非常晶瑩且漂亮的橄欖石晶體的顆粒。

非常晶瑩且漂亮的橄欖石晶體的顆粒

還有的火山來源的沙粒更漂亮,跟寶石一樣,太棒了。

與雪花結下的不解之緣

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所以說,有一臺顯微鏡擱在身邊,絕對不會嫌生活枯燥無味,絕對不會這樣的。你會探索到很多未知的東西。

我最喜歡探求的是什麼呢?是從天而降的雪花。

但是拍雪花,比起拍前面幾個是難多了,真是難多了。為什麼?咱們想想就知道,雪花一落地會怎麼樣?化了。這我怎麼去拍呀?

當年我在國家天文臺興隆觀測站做過一段時間的觀測。有一天晚上看著天不錯,在月亮邊上出現了一個巨大的圓圈。我一看壞了,這叫什麼?「月暈三更雨,日暈午時風」。這個大圈是一種大氣光象,它告訴我們要變天了。

所以那天晚上我就特別的留神,果不其然,到了半夜下雪了。趕緊關望遠鏡、關圓頂,保護好設備。

得,這一晚上幹什麼?沒什麼可乾的了。當時我就想要不然嘗試下一個實驗,看能不能把雪花給拍下來。

所以當時就拿了一臺顯微鏡,這臺顯微鏡看著平淡無奇,但是經過簡單的改裝之後,就可以拍到很棒的圖像。因為當時非常非常的冷,所以也不用擔心顯微鏡上的雪花馬上就化掉。結果真的就看到了一些非常棒的景象。

不要被我騙了,你怎麼可能在顯微鏡下看到雪花的生長呢?其實這是我看到的雪花慢慢昇華的過程,這個視訊是倒放的。所以說當時非常地驚豔,看到各種各樣形狀的雪花在我視野中慢慢消融,或者說昇華,非常的漂亮。

最開始我拍雪花就是這個樣子,但是後來就發現,如果我把這個顯微鏡揹出去,到各個地方去找雪,感覺就更爽,每個地方雪都不太一樣。

比如說有一次在北京,大概十多年前吧,有一場大雪,這場大雪大概下了兩天一夜。從頭到尾我就開始監測這個雪花的形狀變化。

從頭到尾我就開始監測這個雪花的形狀變化

最開始雪花是這樣。你看這些一個個的,跟非常精巧的六角形小盤子一樣,上面篆刻著一些花紋,裡邊還有一些小氣泡,組成了一種神奇的結構。

然後過一段時間雪花變樣子了,又變成這個樣子了。各種各樣這種紛繁複雜的小結構出現了。有的像蕾絲花邊,有的像一個船舵,有的像一個蕨類植物的葉子,還有的在頂端長出一個小扇子來。

再監測又變了,每一個分支變得很寬

再監測又變了,每一個分支變得很寬。

再監測又變樣子了

再監測又變樣子了。

這場雪帶給我很大很大的收穫。不過我還不止於此,我還去新疆追過幾次雪。

我還去新疆追過幾次雪

這個地方現在已經很少有人去了,這是在新疆的天山果子溝。

可以看到路上積雪非常非常的厚,車堵了五個小時的路。

當時就發現那兒的雪跟北京不太一樣,有一句詩

當時就發現那兒的雪跟北京不太一樣,有一句詩:「燕山雪花大如席,片片吹落軒轅臺」,那裡的大雪真是像一個大鵝毛片下來。

這裡邊的雪是什麼樣的?它的結構比在北京看的更加複雜一些,更加向分支化去發展。

這些雪花慢慢地勾連在一起,飄落下來,形成了一個巨大的雪片,裡邊可能有成百上千個小的雪花構成。

但是還有一次比較有意思,在新疆,我曾經見到過一次彩色的雪花。

有人說不對,雪花不就是透明的嗎?咱們肉眼看是白的,顯微鏡看是透明的。

其實真不是,這個雪花裡面是有顏色的,

其實真不是,這個雪花裡面是有顏色的,它的顏色是因為裡面的空氣產生的一些干涉色。

還有一些雪花長成這個樣子,這幾個是我們在東北拍攝的。那一次也非常有意思,那次的氣溫一下降到了零下二十多度,太冷了。我在興隆的時候平常也就零下十幾度。

當時我的策略就是使勁穿,穿完之後我胳膊都放不下去了。身上貼各種暖貼,貼了二十多個暖貼。即便是這樣,也只能在外面大概待個十分鐘時間。

在東北的雪花更加的漂亮,它的結構從上到下,產生不同的變化。

它的結構從上到下,產生不同的變化
它的結構從上到下,產生不同的變化
(滑動查看圖片)
(滑動查看圖片)

(滑動查看圖片)

這幾個都是在東北長春和吉林拍攝的雪花。

當然有的雪花長得就比較奇怪

當然有的雪花長得就比較奇怪。你看這幅圖的右上方有幾個小雪花,注意了沒有?

看這個,

看這個,像不像一個人特囧的臉?這是另一類雪花,但是平時我們並沒有太注意它。

今天我就給大家簡單演示一下,我到底是怎麼拍攝雪花的。

請看,這裡是一臺顯微鏡。這時候我把顯微鏡和相機相連接,再把顯微鏡和電腦也連接在一起,然後咱們看一看裡邊會找到什麼樣的漂亮雪花。現在相機裡面應該是黑黑的一片,我拿出一個我用於拍攝雪花的玻片放在下邊。

哎呀,光不太夠。沒關係,我這裡有一個塑膠袋,還有一個手電筒,「啪」一點就亮了。然後我放在下邊,下面就是見證奇蹟的時刻。

看到雪花了沒有?中間這個,挺漂亮的。往左,往右,它周圍還有很多種類的雪花在這。

但是這些雪花都不是我們日常見到的那種標準的六角形,對不對?

雪花都是六角形的嗎?

有人說,對於雪花,我們知道的就兩件事情:第一件事情是世界上沒有兩個雪花是完全一樣的;另外一件事情就是雪花都是六角形的。難道不是這樣嗎?對不起,還真不是這個樣子。

對不起,還真不是這個樣子

比如說這一張圖是比較難見的一種天象,它叫做幻日。注意看,在太陽一左一右各有兩個光斑,看到沒有?那個就是幻日。

幻日是由誰形成的呢?是由它們來形成的,這類我們稱之為稜柱或者線軸類的雪花。它們就不是六角形的。

有人還會說,對,不是六角形的,它們是六稜柱,還是六字頭。

彆著急,其實雪花的種類非常非常多,只有很少部分是這種標準六邊形,或者說六個岔的這種形狀。

這張表是現在比較著名的雪花的分類圖,它裡邊一共把雪花分成了100多個門類。其中只有一小部分是真正的六角形。

你再看這裡,咱們熟悉的六角形雪花只有一少部分,中間那個是,左邊那個是,下邊有幾個,其他都不是。

除此之外還有一些更個性的,比如說它。這是我今年(2022年)年初剛抓到的一枚雪花。

我當時一看,這雪花好啊,三角的。

有的是三個岔,有的乾脆就是一個三角

有的是三個岔,有的乾脆就是一個三角。

有四角的,還有這樣四角的

有四角的,還有這樣四角的。

這太神了吧?!所以說那句話其實並不對,「雪花都是六角的」,並不是這個樣子。

甚至有十二個角的。大家注意看這十二角的雪花,第一個十二角沒問題,第二個十二角,第三個十二角,第四個……好像是兩個雪花疊在了一起。是不是有一種可能,十二角的雪花,實際上是由兩個六角形雪花疊在一起而形成的呢?

這個問題也困擾我很久,不過隨著慢慢的觀測發現,這個問題慢慢有了一個答案。

比如說看這個。這是一次讓我記憶深刻的降雪,就是在北京發生的。當時我在臺裡上班,中午雪下來了,我拿著顯微鏡去拍攝,結果當時有兩位同事就說,「張超,你說你平常也拍雪花,讓我看看你到底怎麼拍的。」我說,「那行啊,看就看吧。」我就帶著他們倆下去了。

我找一個地方就開始用顯微鏡,連接相機,然後讓它製冷。這個剛才沒說,這個必須得冷卻一段時間,如果不冷卻的話就麻煩了,雪花上去就化了。

就在這個時候,有兩朵這樣的十二瓣的雪花,一塊兒落在一個玻璃片上的,這不是我擺的,也不是我PS的,它就落在了一起。我說這個事太罕見了,居然有兩朵十二瓣的雪花一塊兒落了下來。

結果這個時候,我旁邊一位朋友就說了,「張老師你看,你這個胳膊上是什麼東西?」我一看,我胳膊上這個位置,有一個毛茸茸的雪花,我也看不清楚。

我說這樣,我用一個法術——不是法術,技術,咱把雪花粘過來。

這個技術得特別的小心,一般來說,我們在顯微鏡下分離雪花用的是兔毛筆或者小的針頭,那次我冒了險,就拿一個玻片粘這個雪花。粘下來之後放在顯微鏡下一看,你們猜,這個雪花有多少個瓣啊?有二十四個瓣。

來自雲端的禮物

來自雲端的禮物

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我大概有十多年的觀測和收集的經歷,到現在得有上千枚雪花,但是到目前為止,到下雪的時候,我依然揹著設備到外面進行拍攝。

因為每一場雪,都會給我不同的體驗。

有的時候出去,這個雪下來之後完全不定型,不結晶,看起來一點都不好看,等了一場雪都沒有什麼好東西;有的時候下雪了以後,有非常漂亮的雪花,枝椏非常繁盛,種類也是我沒見過的;還有的時候就像這種,看到一些我沒見過的品種,就似乎得到了一件非常神奇的東西。

雖然說我們現在的科學已經非常發達了,我們知道了很多很多東西,但是我們身邊東西是不是真正地被我們完全洞悉了?

就像我學的天文一樣。每天我還有看天的習慣,用手機或者小相機看天上的雲。只要看見奇怪的我就拍下來,做天的記錄。

有的時候我會用小玻璃片放在窗臺邊,去接從天上掉下來的微小的流星塵。流星劃過大氣的時候,會因為燃燒出現一些小顆粒,這個小顆粒是微小的隕石,非常非常小。它落下來之後,是可以被我們接到並且去研究的。

這是天上掉下來的禮物,同樣雪花也是這個樣子,它同樣也是來自一個雲端的禮物。它告訴我們高層大氣所發生的很多很多的故事。

所以即便我們現在還是生活在地上,我們還只是仰望天空,但是我們同樣有手段去獲取這些神秘的、未知的,來自天上的資訊。

我想無論是天文也好,還是我做的顯微攝影也好,這種對於未知的探索和神秘的嚮往,估計跟你們是一樣的。

所以我也希望各位,我們一起吧,去探索一些我們身邊已經被我們忽視,但是又非常神秘的世界。

謝謝!

– END –

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