Почему не бывает одинаковых снежинок. Вопрос дня: как образуются снежинки и почему не бывает двух одинаковых

Слышали когда-нибудь фразу «эта снежинка — особенная», мол, потому что их обычно много и все они прекрасны, уникальны и завораживают, если присмотреться. Старая мудрость гласит, что не бывает двух одинаковых снежинок, но правда ли это на самом деле? Как вообще об этом заявлять, не просмотрев все падающие и упавшие снежинки? Вдруг снежинка где-нибудь в Москве ничем не отличается от снежинки где-нибудь в Альпах.

Чтобы рассмотреть этот вопрос с научной точки зрения, нам нужно знать, как снежинка рождается и какова вероятность (или невероятность), что родятся две одинаковых.

Снежинка, снятая при помощи обычного оптического микроскопа

Снежинка, по своей сути, это всего лишь молекулы воды, которые связываются между собой в определенной твердой конфигурации. Большинство этих конфигураций имеют некоторый вид гексагональной симметрии; это связано с тем, как молекулы воды с их определенными валентными углами — которые определяются физикой атома кислорода, двух атомов водорода и электромагнитной силой — могут связываться между собой. Простейший микроскопический кристаллик снега, который можно рассмотреть под микроскопом, по размерам составляет одну миллионную часть метра (1 мкм) и может быть очень простой формы, например, шестиугольной кристаллической пластинки. Его ширина примерно 10 000 атомов, и подобных ему очень много.

По данным Книги рекордов Гиннесса, Нэнси Найт из Национального центра атмосферных исследований, по счастливой случайности обнаружила две идентичных снежинки, изучая кристаллы снега во время снежной бури в Висконсине, взяв с собой микроскоп. Но когда представители сертифицируют две снежинки как идентичные, они могут подразумевать лишь то, что снежинки идентичны для точности микроскопа; когда физика требует, чтобы две вещи были идентичны, они должны быть идентичны с точностью до субатомной частицы. А значит:

• вам нужны такие же частицы,
• в таких же конфигурациях,
• с такими же связями между собой
• в двух совершенно разных макроскопических системах.

Давайте посмотрим, как это можно устроить.

Одна молекула воды — это один атом кислорода и два атома водорода, связанные между собой. Когда замороженные молекулы воды связываются между собой, каждая молекула получает поблизости четыре других привязанных молекулы: по одной на каждой из тетраэдрических вершин над каждой отдельной молекуле. Это приводит к тому, что молекулы воды складываются в форму решетки: шестиугольную (или гексагональную) кристаллическую решетку. Но большие «кубики» льда, как в отложения кварца, чрезвычайно редкие. Когда вы заглядываете в мельчайшие масштабы и конфигурации, вы находите, что верхние и нижние плоскости этой решетки упакованы и связаны очень плотно: вы имеете «плоские грани» на двух сторонах. Молекулы на оставшихся сторонах более открыты, и дополнительные молекулы воды связываются с ними более произвольно. В частности, шестигранные углы имеют самые слабые связи, поэтому мы наблюдаем шестикратную симметрию в росте кристаллов.

Новые структуры затем растут по таким же симметричным схемам, наращивая гексагональные асимметрии по достижении определенного размера. В больших сложных кристаллах снега сотни легко различимых особенностей, если смотреть под микроскопом. Сотни особенностей среди примерно 1019 молекул воды, из которых состоит обычная снежинка, если верить Чарльзу Найту из Национального центра атмосферных исследований. На каждую из таких функций есть миллионы возможных мест, где могут образоваться новые веточки. Сколько же может образовать таких новых особенностей снежинка и при этом не стать очередной из многих?

Каждый год во всем мире падает примерно 1015 (квадриллион) кубометров снега на землю, и в каждом кубометре содержится порядка нескольких миллиардов (109) отдельных снежинок. Поскольку Земля существует около 4,5 миллиардов лет, за всю историю на планету упало 1034 снежинок. И знаете, сколько с точки зрения статистики отдельных, уникальных, симметричных ветвящихся особенностей могла иметь снежинка и ожидать двойника в определенный момент истории Земли? Всего пять. Тогда как у настоящих, больших, природных снежинок их обычно сотни.

Даже на уровне одного миллиметра в снежинке можно рассмотреть несовершенства, которые сложно продублировать

И только на самом приземленном уровне можно ошибочно разглядеть две одинаковых снежинки. И если вы готовы спуститься на молекулярный уровень, ситуация станет гораздо хуже. Обычно в кислороде 8 протонов и 8 нейтронов, а в атоме водорода 1 протон и 0 нейтронов. Но 1 из 500 атомов кислорода имеет 10 нейтронов, в 1 из 5000 атомов водорода имеет 1 нейтрон, а не 0. Даже если вы образуете идеальные шестиугольные кристаллы снега, и за всю историю планеты Земля насчитали 1034 кристаллов снега, достаточно будет опуститься до размеров нескольких тысяч молекул (меньше длины видимого света), чтобы найти уникальную структуру, которую планета никогда не видела прежде.

Но если проигнорировать атомные и молекулярные различия и отказаться от «природного», у вас будет шанс. Исследователь снежинок Кеннет Либбрехт из Калифорнийского технологического института разработал методику для создания искусственных «идентичных близнецов» снежинок и фотографирует их с помощью специального микроскопа под названием SnowMaster 9000.

Тем не менее многие снежинки похожи одна на другую. Но если вы ищете действительно идентичные снежинки на структурном, молекулярном или атомном уровне, природа никогда вам этого не преподнесет. Такое число возможностей велико не только для истории Земли, но и для истории Вселенной. Если вы хотите знать, сколько вам нужно планет, чтобы заполучить две идентичные снежинки за 13,8 миллиардов лет истории Вселенной, ответ будет порядка 10100000000000000000000000. Учитывая, что в наблюдаемой Вселенной всего 1080 атомов, это крайне маловероятно. Так что да, снежинки действительно уникальны. И это мягко говоря.

Давайте посмотрим, как это можно устроить.

Одна молекула воды - это один атом кислорода и два атома водорода, связанные между собой. Когда замороженные молекулы воды связываются между собой, каждая молекула получает поблизости четыре других привязанных молекулы: по одной на каждой из тетраэдрических вершин над каждой отдельной молекуле. Это приводит к тому, что молекулы воды складываются в форму решетки: шестиугольную (или гексагональную) кристаллическую решетку. Но большие «кубики» льда, как в отложения кварца, чрезвычайно редкие. Когда вы заглядываете в мельчайшие масштабы и конфигурации, вы находите, что верхние и нижние плоскости этой решетки упакованы и связаны очень плотно: вы имеете «плоские грани» на двух сторонах. Молекулы на оставшихся сторонах более открыты, и дополнительные молекулы воды связываются с ними более произвольно. В частности, шестигранные углы имеют самые слабые связи, поэтому мы наблюдаем шестикратную симметрию в росте кристаллов.



и рост снежинки, частной конфигурации кристалла льда

Новые структуры затем растут по таким же симметричным схемам, наращивая гексагональные асимметрии по достижении определенного размера. В больших сложных кристаллах снега сотни легко различимых особенностей, если смотреть под микроскопом. Сотни особенностей среди примерно 10 19 молекул воды, из которых состоит обычная снежинка, если верить Чарльзу Найту из Национального центра атмосферных исследований. На каждую из таких функций есть миллионы возможных мест, где могут образоваться новые веточки. Сколько же может образовать таких новых особенностей снежинка и при этом не стать очередной из многих?

Каждый год во всем мире падает примерно 10 15 (квадриллион) кубометров снега на землю, и в каждом кубометре содержится порядка нескольких миллиардов (10 9) отдельных снежинок. Поскольку Земля существует около 4,5 миллиардов лет, за всю историю на планету упало 10 34 снежинок. И знаете, сколько с точки зрения статистики отдельных, уникальных, симметричных ветвящихся особенностей могла иметь снежинка и ожидать двойника в определенный момент истории Земли? Всего пять. Тогда как у настоящих, больших, природных снежинок их обычно сотни.



Даже на уровне одного миллиметра в снежинке можно рассмотреть несовершенства, которые сложно продублировать

И только на самом приземленном уровне можно ошибочно разглядеть две одинаковых снежинки. И если вы готовы спуститься на молекулярный уровень, ситуация станет гораздо хуже. Обычно в кислороде 8 протонов и 8 нейтронов, а в атоме водорода 1 протон и 0 нейтронов. Но 1 из 500 атомов кислорода имеет 10 нейтронов, в 1 из 5000 атомов водорода имеет 1 нейтрон, а не 0. Даже если вы образуете идеальные шестиугольные кристаллы снега, и за всю историю планеты Земля насчитали 10 34 кристаллов снега, достаточно будет опуститься до размеров нескольких тысяч молекул (меньше длины видимого света), чтобы найти уникальную структуру, которую планета никогда не видела прежде.



Но если проигнорировать атомные и молекулярные различия и отказаться от «природного», у вас будет шанс. Исследователь снежинок Кеннет Либбрехт из Калифорнийского технологического института разработал методику для создания искусственных «идентичных близнецов» снежинок и фотографирует их с помощью специального микроскопа под названием SnowMaster 9000.

Выращивая их бок о бок в лабораторных условиях, он показал, что можно создать две снежинки, которые будут неразличимы.



Две практически идентичных снежинки, выращенные в лаборатории Калтеха

Ну, почти. Они будут неразличимы человеку, которые смотрит своими глазами через микроскоп, но они не будут идентичны по правде. Как и идентичные близнецы, они будут иметь много различий: у них будут разные места связки молекул, разные свойства ветвления, и чем они больше, тем сильнее эти различия. Вот почему эти снежинки очень маленькие, а микроскоп мощный: они более похожи, когда менее сложны.



Две почти идентичных снежинки, выращенные в лаборатории в Калтехе

Тем не менее многие снежинки похожи одна на другую. Но если вы ищете действительно идентичные снежинки на структурном, молекулярном или атомном уровне, природа никогда вам этого не преподнесет. Такое число возможностей велико не только для истории Земли, но и для истории Вселенной. Если вы хотите знать, сколько вам нужно планет, чтобы заполучить две идентичные снежинки за 13,8 миллиардов лет истории Вселенной, ответ будет порядка 10 100000000000000000000000 . Учитывая, что в наблюдаемой Вселенной всего 10 80 атомов, это крайне маловероятно. Так что да, снежинки действительно уникальны. И это мягко говоря.

Ученые выделяют два варианта образования снежных кристаллов. В первом случае водяной пар, занесенный ветром на очень большую высоту, где температура составляет около 40° С, может внезапно замерзнуть, образовав кристаллы льда. В нижнем слое облаков, где вода замерзает медленнее, кристалл создается вокруг маленькой пылинки или частицы грунта. Этот кристалл, которых в одной снежинке насчитывается от 2 до 200, имеет форму шестигранника, поэтому большинство снежинок представляют собой шестиконечную звезду.

«Страна Снегов» - такое поэтическое название придумали для Тибета его жители.

Форма снежинки зависит от многих факторов: температуры вокруг, влажности, давления. Тем не менее, выделяют 7 основных видов кристаллов: пластинки (если температура в облаке – от -3 до 0°С), звёздчатые кристаллы, столбцы (от -8 до -5°С), иглы, пространственные дендриты, столбцы с наконечником и неправильные формы. Примечательно, что если при падении снежинка вращается, то форма её будет идеально симметричной, а если будет падать боком или как-то иначе – то нет.

Кристаллы льда шестиугольные: они не могут соединиться углом — только гранью. Поэтому лучи от снежинки всегда растут в шесть сторон, а разветвление от луча может отходить только под уголом 60 или 120°.

С 2012 года в предпоследнее воскресенье января отмечается «Всемирный день снега». Инициаторами этого выступила Международная федерация лыжного спорта.

Снежинки кажутся белыми из-за заключенного в них воздуха: свет разных частот отображается на гранях между кристаллами и рассеивается. Размер обычной снежинки составляет около 5 мм в диаметре, а масса – 0, 004г.

При озвучивании фильма «Александр Невский» скрип снега получали путем сжимания смешанного сахара и соли.

Считается, что двух одинаковых снежинок не бывает. Впервые это было доказано в 1885 году, когда американский фермер Уилсон Бентли сделал первый удачный снимок снежинки под микроскопом. Он посвятил этому 46 лет и сделал более 5000 фотографий, на основе которых и была подтверждена теория.

Знакомое каждое школьнику утверждение, что не бывает двух одинаковых снежинок, неоднократно подвергалось сомнениям. Но уникальные исследования Калифорнийского технологического университета смогли поставить последнюю точку в этом поистине новогоднем вопросе.

Снег образуется, когда микроскопические капли воды в облаках притягиваются к пылевым частицам и замерзают.

Появляющиеся при этом кристаллы льда, не превышающие поначалу 0,1 мм в диаметре, падают вниз и растут в результате конденсации на них влаги из воздуха. При этом образуются шестиконечные кристаллические формы.

Из-за структуры молекул воды между лучами кристалла возможны углы лишь в 60° и 120°. Основной кристалл воды имеет в плоскости форму правильного шестиугольника. На вершинах такого шестиугольника затем осаждаются новые кристаллы, на них - новые, и так получаются разнообразные формы звёздочек-снежинок.

Профессор физики Калифорнийского университета Кэннет Либбрехт обнародовал результаты многолетних исследований своей научной группы. «Если вы видите две одинаковые снежинки – они все равно различаются!» — утверждает профессор.

Либбрехт доказал, что в составе молекул снега примерно на каждые пятьсот атомов кислорода с массой 16 г/моль приходится один атом с массой 18 г/моль.

Устройство связей молекулы с таким атомом таково, что предполагает бесчисленное количество вариантов соединений внутри кристаллической решетки.

Другими словами – если две снежинки действительно выглядят одинаково, то их идентичность еще нужно проверить на микроскопическом уровне.

Изучение свойств снега (и, в частности, снежинок) — не детская забава. Знания о природе снега и снежных облаков очень важны при исследовании климатических изменений.

• Перевод

Снежинки различных форм и размеров, появившиеся в естественной среде. Фотография из журнала Popular Science Monthly Volume № 53 от 1898 г.

Возможно, вы слышали поговорку об «особенной снежинке». Речь идёт о том, что снежинки красивы и ценны тем, поскольку в огромном их количестве нельзя найти двух одинаковых. Говорят, что не существует двух идентичных снежинок – но так ли это на самом деле? Стоит обратиться к тому, что думает по этому поводу наука – именно об этом и спрашивает нас один из наших читателей:

Я слышала, что учёные говорят, будто не существует двух одинаковых снежинок. А я скажу: откуда это может быть точно известно, если только вы не изучите все упавшие на землю снежинки? Может быть, где-нибудь в России снежинка падает одновременно с идентичной ей снежинкой где-нибудь в Миннесоте.

Снежинка – это молекулы воды, связанные вместе в определённой твёрдой конфигурации. У большинства из них наблюдается шестиугольная симметрия; это происходит из-за того, под каким углом молекулы воды способны связываться друг с другом. Этот угол определяется физикой атома кислорода, двух атомов водорода и электромагнитного взаимодействия. Простейший из микроскопических снежных кристаллов, который можно увидеть в оптический микроскоп, имеет размер в одну миллионную метра (1 мкм) и может принимать весьма простые формы – к примеру, плоского шестиугольника. В нём умещается всего около 10000 атомов, и среди них можно найти множество одинаковых.

Шестиугольность симметрии снежинок известна давно. Эта коллекция фотографий датируется 1902-м годом.

Согласно Книге рекордов Гиннеса, Нэнси Найт, учёный из Национального центра атмосферных исследований, повезло обнаружить две одинаковые снежинки во время исследований снежных кристаллов из метели в Висконсине 1988 года с использованием микроскопа. Но Гиннес выдаёт сертификат только на основании идентичности снежинок с учётом точности, доступной микроскопу. Когда физика требует идентичность двух объектов, она имеет в виду идентичность вплоть до субатомных частиц! А это значит:

Нужно, чтобы именно такие частицы
сложились именно в такой конфигурации
с одинаковыми связями между ними
у двух разных макроскопических систем.

Изучим, что для этого потребовалось бы.

Одна молекула воды – это один атом кислорода и два атома водорода, связанные вместе. Когда молекулы замерзшей воды связываются вместе, с каждой из них оказываются связанными четыре других молекулы: одна в каждой из вершин тетраэдра с центром этой молекуле. В результате молекулы воды упаковываются в решётку – шестиугольную кристаллическую решётку. Но большие призматические «кубики» льда, такие, какие можно наблюдать у отложений кварца, встречаются крайне редко. Переходя с малейших масштабов и конфигураций на верхний уровень, вы увидите, что верхняя и нижняя поверхности этой решётки очень плотно упакованы и связаны друг с другом – с двух сторон оказываются плоские грани. И наоборот, на оставшихся гранях видны отдельные молекулы, и новые молекулы воды связываются с ними в более произвольном порядке. На углах шестиугольника связи получаются самые слабые, поэтому в растущих кристаллах и появляется шестиугольная симметрия.

Формирование и рост снежного кристалла, фрагмент видео

Затем новообразованные структуры вырастают уже по этой симметричной схеме, поддерживая шестиугольную асимметрию при достижении определённого размера. У больших и сложных снежных кристаллов через микроскоп можно найти сотни видимых черт. Можно видеть сотни отличительных черт, и порядка 10 19 молекул воды, составляющих типичную снежинку, если верить Чарльзу Найту из Национального центра атмосферных исследований. И для каждой из этих особенностей существуют миллионы подходящих мест, в которых могут сформироваться новые отростки. Так сколько из этих новых особенностей может сформировать снежинка, и при этом оказаться идентичной с какой-то другой?

Каждый год на землю выпадает порядка 3*10 13 кубических метров снега, а в каждом кубическом метре содержится примерно 3*10 10 снежинок. Поскольку Земля существует порядка 4,5 млрд лет, за всю её историю на неё упало порядка 10 34 снежинок. С точки зрения статистики количество отдельных уникальных симметрически ветвящихся особенностей снежинки, которое она могла бы себе позволить, чтобы на протяжении всей истории Земли у неё появился идентичный близнец, равно пяти. При этом у реальных, полностью выросших естественных снежинок таких особенностей сотни.

Даже на миллиметровом масштабе на снежинке можно рассмотреть множество несовершенств, затрудняющих воспроизводство другой, точно такой же снежинки

Две идентичные снежинки реально будет найти, только если рассматривать самые маленькие кристаллы на начальных стадиях роста. А если спуститься на молекулярный уровень, ситуация становится ещё хуже. Обычно у кислорода есть 8 протонов и 8 нейтронов, а у водорода – 1 протон и 0 нейтронов. Однако примерно в одном из 500 атомов кислорода присутствует 10 нейтронов, а в одном из 5000 атомов водорода есть 1 нейтрон, а не 0. С такими цифрами, если даже вы создадите идеальный шестиугольный снежный кристалл, и доберётесь до количества кристаллов, выпавших на землю за всю историю - 10 34 , вам нужно будет всего лишь дорасти до размера в несколько тысяч молекул, то есть, до снежинки размером в 0,01 микрон (это меньше длины волны видимого света), чтобы получить уникальную структуру, которой мир ещё не видал.

При изучении шестиугольного снежного кристалла с ободком под электронным микроскопом видно, сколько у него есть тонких и разнообразных несовершенств, которые невозможно воспроизвести на молекулярном уровне

Но если вы хотите игнорировать различия на атомном и молекулярном уровне, и использовать искусственные снежинки, у вас есть шанс. Исследователь снежинок Кеннет Либбрехт из Калтеха разработал технологию создания искусственных идентичных снежинок и их фотографирования при помощи особого микроскопа, который он назвал SnowMaster 9000.

Выращивая снежинки рядом в определённых лабораторных условиях он показал, что можно создать две снежинки, неотличимые друг от друга.

Ну или типа того. Они неотличимы для человека, смотрящего в микроскоп – но на самом деле они отличаются. Как и у однояйцевых близнецов, у них есть множество отличий: разные места связей молекул, немного разные ветвления, и чем они больше, тем лучше видны эти отличия. Именно поэтому эти снежинки делают небольшими, а микроскоп взят мощный: чем проще снежинки, тем меньше между ними различий.

Тем не менее, множество снежинок похожи друг на друга. Но если искать на самом деле идентичные снежинки, на структурном, молекулярном или атомном уровне, то природа вам этого никогда не даст. Количество возможностей слишком велико не только для истории Земли, но и для истории Вселенной. Если подсчитать, сколько планет Земля нам потребуется для того, чтобы у нас был шанс найти две одинаковых снежинки за все 13,8 млрд лет существования Вселенной, то получится число порядка 10 10 000 000 000 000 000 000 . А поскольку в наблюдаемой Вселенной есть всего 10 80 атомов, это очень маловероятно. Так что, судя по всему, все снежинки действительно уникальны.