化學比其他任何學科都更能體現實用與脫俗的結合。它最為人所知的是實用性：

化學顯然是我們周圍所有物質的來源，藉著這些物質，我們的生活會變好或變壞。把衣服變得時尚漂亮的染料、掩蓋我們自身氣味的人造香水、緩解我們病痛的藥物，還有智慧手機裡的高科技半導體合金晶片，都是化學的產物，但我們就像不知感恩的孩子，把它們都看作理所當然。我們抱怨空氣和水體裡的汙染物，以及填塞了河流和海洋的塑膠製品（抱怨是對的，但物件不應該是化學）。化學編織出了我們的存在：聚酯纖維、聚碳酸酯塑膠、觸控式螢幕和電池、不粘鍋和不易滴落的塗料。我們依賴著化學的慷慨幫助，但也忌憚著它惹來的災禍：它既是問題又是解法，既是宿敵又是救星。化學超凡脫俗的一面則不那麼為人所知，但本書要介紹的就是這一面。我們將給你展示化學產物和化學過程中蘊含的驚人的美。這種美通常一閃而過，無人注意，或者沒人意識到它們的本質跟化學有關。

讓我們在這個冬天，先揭開雪花下隱藏的繁茂枝晶，探索其中的奧秘。

這些數不清的星狀小顆粒富有魔力，人眼根本無法看出它們隱秘而細微的瑰麗之處，而它們彼此間也千差萬別。人們始終懷著無窮的創造興致研究雪粒的變化和極其精細的成形，又始終遵循同一基本圖案，即等邊等角的六角形。可是每一粒……都極其規則，冷冰冰地整齊。

這是托馬斯·曼1924年的小說《魔山》中，自我沉溺的主人公漢斯·卡斯托爾普在滑雪過程中因疲倦而快要睡著時，關於雪花形狀的思索。看起來卡斯托爾普似乎是被雪花的美迷住了，但實際上雪花讓他不安。“它們太規則了，”他說，“組織成生命的任何物質從來沒有規則到這樣的程度，對它那恰到好處的精準感到戰慄，把它看成致死的因子乃至死亡的奧秘本身。”他判斷，這一定是古代的建築師故意不把建築做得百分之百對稱的原因：為了引入一絲生命的活力。

雪花真正令人不安的地方，或許也正是它們如此美麗的原因：不太是它們對稱的幾何形狀，而是這些小小的冰質碎片似乎就處在打破這種對稱的邊緣。我們在第二章中看到，普通的晶體呈整整齊齊的塊狀，但到了雪花像聖誕樹一樣的“臂”上，幾何結構卻開始瘋長，分出繁茂的枝權，彷彿獲得了自己的生命一般。在1世紀的中國漢朝，就有人認為它們猶如植物，稱其為“雪花”。這種近乎生機的放縱再多一點點，秩序就會整個兒消失。大概正是這種特性被卡斯托爾普驚為“神秘莫測”。

多年來，科學家一直在思考雪花的問題。人就是無法忽視如此震撼的自然現象，尤其是17世紀發明了顯微鏡，把這種精緻的創造清晰地展現在人們眼前之後。這種“無窮無盡的創造興致”因何而成？大自然為什麼需要它呢？

我們在前面提到過的德意志天文學家、數學家約翰內斯·開普勒曾嘗試解釋晶體的形狀，他也為雪花的形狀冥思苦想了很久，正是這些思考，催生了關於“結晶度”的絕妙直覺。1610年冬，在布拉格為神聖羅馬帝國皇帝魯道夫二世工作時，開普勒寫了一本小書《關於六角雪花》(Denivehexangula）獻給他尊貴的贊助人作為新年禮物。在書裡，他給自己提出瞭解釋雪花形狀的目標。他問道：

六這個數源出何處？誰先把冰核雕出了六個角，之後它才落下？是什麼原因讓雪花表面在凝結的時候會從一個圓的六個點上伸出六個分枝？

我們已經知道，開普勒判斷，用“水小球”的堆積或可解釋雪花的六角對稱現象，但他竭盡全力也沒能解釋雪花的分枝現象。最後他顯然有點絕望了，只能援引“形成之能”這一神秘概念，稱這是上帝設計的一部分。“形成的原因不僅僅是某種目的，也可以是美觀，”他寫道，並愉快地補充，“它根植於享受每個轉瞬即逝的瞬間的習慣。”

可想而知，這對後世的科學家而言算不上什麼解釋。19世紀中葉，著名生物學家托馬斯·亨利·赫胥黎清楚地表明，沒有人能援引某種神秘的“能”“靈”來解釋“水微粒如何被引導到晶體的某一面，或者白霜的‘葉芽’之間”。也就是說，一定是物理和化學的原理生成了這些神奇物體。

但那是怎麼做到的呢？在20世紀中葉以前，所有科學家還只能描述、記錄雪花的美而已。但在1885—1931年間，美國佛蒙特州的農場主威爾遜·本特利（Wilson Bentley）拍攝了數千張雪花的照片，並在1931年與氣象物理學家威廉·漢弗菜斯（William Humphreys）合作，將他這些精美照片出版為書籍《雪花晶體》(Snow  Crystals）。書中列出了化學法則催生的一系列奇蹟，可以說是我們這本書的前身，而且也激發了眾多化學家思考掌管“雪花生長”的法則。雪花與植物的相似性也暗合了蘇格蘭動物學家達西·溫特沃思·湯普森（D'Arcy Wentworth Thompson）關於自然界的模式及形態的鉅著《生長和形態》(On Growthand Form,1917）中的描述：

雪花晶體的美依賴於其在數學上的規律性和對稱性，但單個型別竟能衍生出眾多變體，彼此有關又不盡相同，這極大增加了我們對它的喜愛與讚歎。這種美正是日本藝術家在一片燈芯草或一叢竹子（尤其是被風吹過時）中看到的美，也是一簇花從含苞直到殘凋展現出來的階段之美。

這裡的謎團並不僅限於雪花，雪花只是晶體生長過程中呈現出的一種普遍模式的最常見例證。雪花真正的獨特之處並不在於開普勒和他前前後後的人提出的六角形對稱，而是其單臂的樣貌：典型的針狀尖端，點綴著蕨類植物一般的重複分枝。冶金學家早就知道這類結構也會出現在冷卻並凝固的液態金屬中，其形成過程被稱為“枝狀（dendritic）生長”，其英文詞來自希臘語的“樹枝”。枝狀生長也會出現在一類名為“電沉積”的化學過程中，這種反應是用浸沒在溶液中的電極產生的電流，將以離子形式溶於溶液中的金屬沉積出來的過程。

要解釋枝狀生長，就要回答兩個問題。其一，為什麼會形成針狀？為什麼在熔融的金屬凝固之時，固態和液態間的介面不會像海浪那樣柔和延伸？是什麼讓一部分固體跑在其他部分前面，形成一個手指狀的尖端？其二，是什麼讓這個尖端兩側又萌出分枝，看起來還往往像按照某種幾何規則排布，並形成特定的夾角？

答案在20世紀40年代到70年代之間斷斷續續地產生了。枝狀生長產生的尖端和分枝是所謂的“生長不穩定性”的例子，簡單說就是穩步的生長讓位於某種不那麼平穩而規律的東西。

馬林斯和塞克卡意識到，這種形成尖端的過程會反覆不斷地發生：針尖兩側會再分枝出針尖，後者又會繼續分枝。一不留神，就有了大量分枝。不過，分枝的最小尺寸有個限制，因為介面的表面張力有著反作用：要把表面拉平，就像它對杯子裡的水面所做的那樣。

光憑這些，你可能會覺得分枝會隨機大量出現，更像一棵橡樹，而非聖誕樹。但金屬和晶體結構自身背後的對稱性會使其分枝以特定的角度分裂出現：我們在第二章中看到，原子和分子會堆積成規律的幾何結構，而晶體的幾何結構會引導分枝出現的方向。因此，雪花的六角形狀，就是冰中水分子六方堆積的結果。其他晶體在生長的過程中會出現其他的角度，例如有些晶體的分枝會成直角萌出，因為它們晶體中的原子呈立方堆積。

這些道理直到20世紀80年代才被完全理解，出現了關於雪花形成的完善理論。直到如今，科學家對晶體生長的某些方面仍不甚瞭解，例如很難解釋為什麼雪花的六個角看起來如此相似：如果分枝都只是偶然萌出，就算它們傾向於沿六角方向產生，怎麼會看起來都一樣？不過，真相是，很多雪花的六個角並沒有那麼對稱：六臂整體形狀相似，但細節各有不同。如果你習慣見到完美對稱的雪花，那是因為人們通常只選擇這些雪花的照片發出來，因為它們看起來最美。不過，這也表明，這些“完美”的雪花確實存在，而且我們也不清楚為什麼每個分枝都“知道”其他分枝是什麼樣的。

不僅如此，也不是所有雪花臂都呈經典的聖誕樹形狀，而是可能採取多種形狀。有時雪花臂上會裝飾六邊形的塊狀小冰片，有時整片雪花都長成單純的六邊形。隨著周圍空氣溫度和溼度的不同，雪花晶體在顯微鏡下會呈現出大相徑庭的形狀，尤其是各種六角形截面的稜柱形。同一場雪裡降下的雪花也會有許多不同的形狀，取決於某一晶體形成時空氣中的確切條件。你可以把不同位置雪花的差異看作大自然被凍結的瞬間記錄。

雪花一樣的枝狀生長並非晶體的常態。我們在第二章中看到，晶體更常形成稜柱形的小塊，各面各邊不是參差不齊的分枝，而是光滑平直的。那為什麼晶體有時會長成這樣，有時又長成那樣呢？

原因很大程度在於生長速度，或者換句話說，是看結晶“驅動力”有多大。一般而言，如果你把某種熔融態的金屬緩慢地冷卻到凝固點以下，它就會緩慢凝固成規則的塊狀晶體；相反，枝狀生長通常發生在液態金屬溫度突然跌至大大低於凝固點的位置，於是凝固過程瞬間發生之時。科學家把前一個過程稱為“接近平衡態”（晶體生長所在的系統距離其最穩定的晶態不太遠），後一個過程稱為“遠離平衡態”。

雪花就是遠離平衡態的過程中經常形成的複雜圖案結構的一例。在第十章我們還會看到另一些例子。在遠平衡態處出現的這種複雜性與規律性的精妙平衡，也是生命本身的特徵之一。因此，把雪比作花、枝狀生長比作樹也不是完全的巧合：它們是被賦予了生機的物質。

分形是大自然的基本形式之一，而化學透過簡單的電誘導結晶過程就可以產生分形，從電極鋪展開來，宛如根系在土壤中推進，或者樹木展開枝條擁抱陽光。美國超驗主義作家拉爾夫·沃爾多·愛默生寫道：“大自然只是對寥寥幾種法則無休無止地加以組合和重複。她哼著那支著名的古老曲調，只是變奏無窮。”