2 одинаковые снежинки. Научно-исследовательский проект на тему "бывают ли одинаковые снежинки"

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.

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.

Природа зимой прекрасна: стоит лишь на минуту замедлить шаг, разглядеть заснеженные деревья, пушистые сугробы и протянуть ладошку - как на нее упадет несколько снежинок. Нет ничего красивее и невесомее этих миниатюрных произведений природы.

Как жаль, что их прекрасным узором можно любоваться лишь недолгое время.

Возможно, вы слышали утверждение: двух одинаковых снежинок не существует. Давайте разберемся в этом «зимнем вопросе».

Процесс образования снежинок на первый взгляд очень сложный. Здесь задействованы физические законы взаимодействий элементарных частиц. В атмосфере, при минусовой температуре, молекулы воды притягиваются к молекулам пыли и застывают, образуя шестиконечные кристаллы. Между отдельными лучами кристалла, из-за особенностей структуры молекулы воды, возможны углы только в 60 или 120 градусов, а разнообразные формы и узоры снежинок образуются, благодаря новым кристаллам, присоединяющимся к вершинам шестиугольника.

Таким образом, мы выяснили, что:

• Снежинки образуются внутри ледяного облака из пара, минуя жидкую фазу.
• Рост снежинок зависит от внешних условий: от влажности и температуры воздуха.
• «Зародыши» снежинок имеют шестиугольную форму.
• Форма снежинки может изменяться по мере прохождения атмосферы.
• Скорость падения снежинки 15 м/в минуту.
• Образующий снежинку лед прозрачен.

Остановимся подробнее на последнем факте. Почему, если снежинка прозрачная, то снег белый? На этот вопрос отвечают законы физики: свет, отражаясь от граней снежинок, создает впечатление белой массы, которую мы называем снегом.

Итак, процесс формирования снежинок волновал множество умов.

Первопроходцами в теории «снега» стали фермер У.Э. Бентли и доктор Н. Найт.

Бентли за всю свою жизнь создал огромную коллекцию фотографий снежинок, которой интересовались как ученые, так и фотографы. Доктор Найт смогла воспроизвести процесс образования снежинок в лабораторных условиях.

Систематизировал их знания и научные работы профессор из Калифорнийского университета К. Либбрехт, который в процессе изучения этого вопроса выдвинул утверждение: «Если вы видите две одинаковые снежинки - они все равно различаются!».

Именно он научно обосновал свое высказывание, объяснив, что молекулы и атомы образующие кристаллическую решетку могут иметь огромное множество способов соединения.

Либбрехт заявил, что визуально снежинки могут выглядеть одинаково, однако, если рассмотреть их в микроскоп, узор будет совершенно разным!

Теперь вы знаете, если за окном падает снег, каждая из снежинок будет по-своему уникальной и неповторимо прекрасной!

Первопроходцем изучения «теории снега» стал юный фермер Уилсон Элисон Бентли по прозвищу «Снежинка». С детских лет его привлекала необычная форма падающих с неба кристаллов. В его родном городе Джерико на севере США снегопады были регулярным явлением, и юный Уилсон проводил много времени на улице, изучая снежинки.

Уислон "Снежинки" Бентли

К подаренному матерью на 15-летие микроскопу Бентли приспособил фотоаппарат и попытался запечатлеть снежинки. Но на совершенствование технологии ушло без мало пять лет – лишь 15 января 1885 года был получен первый отчетливый снимок.

За всю свою жизнь Уилсон запечатлен на фотографиях 5000 разнообразных снежинок. Он не переставал восхищаться красотой этих миниатюрных произведений природы. Для получения своих шедевров, Бентли работал при минусовой температуре, помещая каждую целую из найденных снежинок на черный фон.

Работы Уилсон высоко оценили и ученые, и художники. Его часто приглашали выступить на научных конференциях или выставить фотоснимки в художественных галереях. К сожалению, Бентли умер на 65-ом году жизни от пневмонии, так и не доказав, что одинаковых снежинок не бывает.

Эстафету «теории снега» подхватила сто лет спустя исследователь Национального центра Атмосферных исследований Нэнси Найт. В работе, опубликованной в 1988 году, она доказала обратное утверждение – одинаковые снежинки могут и должны существовать!

Доктор Найт попробовала воспроизвести процесс построения снежинок в лабораторных условиях. Для этого она выращивала несколько кристаллов воды, подвергая их одинаковых процессам переохлаждения и перенасыщения. В результате опытов ей удалось получить снежинки абсолютно идентичные друг другу.

Дальнейшие полевые наблюдения и обработка погрешностей опытов позволили Нэнси Найт утверждать, что возникновение одинаковых снежинок возможно и определяется только теорией вероятности. Составив сравнительный каталог небесных кристаллов, Найт сделала вывод, что у снежинок наблюдается 100 признаков различия. Так образом, общее количество вариантов внешнего вида составляет 100! т.е. почти 10 в 158-й степени.

Полученное число вдвое больше, чем количество атомов во Вселенной! Но это не значит, что совпадения совсем невозможны – делает в своей работе заключение доктор Найт.

И вот – новые исследования по «теории снега». На днях 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. А некоторые из необычных и неизученных свойств льда могут найти и практическое применение.

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.