Мы находимся в эпохе, когда ученые могут обнаружить бесконечно малые частицы, которые наделяют атомы массой и исследуют некоторые из самых глубоких загадок биологии, например, как опыт и воспоминания могут передаваться через гены организма.
Таким образом, может быть сюрпризом, что мы все еще не понимаем механику относительно простого природного явления: снега.
Образование снежинок - по сути, своеобразный способ кристаллизации воды при взвешивании в нашей атмосфере - является чрезвычайно сложным процессом, который еще не полностью описан научными формулами. «Люди думают, что снежинка - это просто замерзшая капля дождя», - говорит профессор физики Caltech Кеннет Либбрехт, который последние несколько десятилетий изучал процесс образования снежинок. «Но это мокрый снег, только маленькие кубики льда, и даже не близко к тому, что снежинка».
В лаборатории Либбрехта растет снежинка, ускоренная
В ходе его исследований, работа Либбрехта выросла, чтобы охватить искусство и науку. Он подготовил как научные статьи, так и сотни прекрасных фотографий натуральных снежинок (которые он опубликовал в нескольких разных книгах и показал на американских почтовых марках), а также изобрел гениальные способы искусственного выращивания снежинок в лаборатории, чтобы изучить их образование в микроскопических деталях.
Но все это началось, говорит он, с поездки в дом его детства в Северной Дакоте. «Я навещал мою семью там, и я вышел на улицу, и на земле лежал весь этот снег», - говорит он. «Я вдруг подумал:« Почему я не понимаю больше об этих снежинках? »
Это заставило Либбрехта начать изучать динамику образования снежинок в своей лаборатории между исследованиями более эзотерических объектов, таких как поворотные диодные лазеры, и шумом, излучаемым сверхновыми. «Я понял, что многое о снежинках просто не очень хорошо понято, и что лед - довольно недорогой материал для работы», - говорит он.
Образование даже одной снежинки - сложное событие на молекулярном уровне. В природе это начинается, когда водяной пар облака конденсируется в капли воды. Однако даже при температурах ниже нуля большинство этих капель обычно остаются в жидкой форме, потому что им нужна частица, на которой они должны замерзать: либо частица пыли, либо несколько молекул воды, которые сгруппировались в гексагональную матрицу, которая характеризует лед.
Как только капли начинают кристаллизоваться на центральной частице, процесс быстро ускоряется. При наличии кристаллического ядра молекулы переохлажденной воды в окружающих каплях воды легко конденсируются на кристалле, что способствует его геометрически правильному росту. К тому времени, когда большой кристалл (который мы называем снежинкой) покинул облако, Либбрехт подсчитал, что он заберет воду из примерно 100 000 близлежащих капелек.
Все это может показаться простым, но, как обнаружили Либбрехт и другие ученые, небольшие изменения в условиях этих кристаллов - влажность и температура облака для начинающих - могут привести к радикально отличающемуся виду хлопьев. Либбрехт понял, что для лучшего понимания этой динамики ему нужен способ наблюдать за фактическим процессом роста снежинок. Не имея возможности встроиться в плавающее облако, он решил разработать метод искусственного выращивания снежинок в своей калифорнийской лаборатории.
«Получить индивидуальный кристалл, растущий таким образом, чтобы он выглядел как снежинка, нелегко», - говорит он. «Если вы хотите заморозка - просто кучка кристаллов, растущих одновременно, - это довольно просто, но отдельные кристаллы сложнее».
Процесс Либбрехта, разработанный за последние несколько лет, осуществляется в холодной камере и занимает в общей сложности около 45 минут. Он начинает с совершенно чистого куска стекла и разбрасывает на нем много микроскопических кристаллов льда. С помощью микроскопа он изолирует конкретный кристалл, затем дует немного теплого влажного воздуха на стекло. Водяной пар конденсируется на затравочном кристалле, как в реальном облаке, в конечном итоге образуя видимую снежинку.
Работая с этим процессом, Либбрехт определил уровни температуры и влажности, которые приводят к каждому конкретному виду снежинки. «Я называю их« дизайнерскими снежинками », потому что вы можете изменять условия по мере их выращивания и предсказывать, как они будут выглядеть», - говорит он. Среди прочего, он обнаружил, что снежинка с тонким краем растет быстрее, в результате чего край еще более обостряется, что в конечном итоге приводит к относительно большой чешуйке. Однако снежинки, начинающиеся с более тупых краев, растут медленнее и остаются тупыми, что приводит к образованию блочных призм, а не изящных пластин.
В конце концов, когда Либбрехт захотел опубликовать книгу о своих работах, он обнаружил, что, хотя они были хороши для своего времени, большинство доступных фотографий снежинок устарели, как те, что были сделаны Уилсоном Бентли в 1930-х годах. В ответ он сам начал фотографировать их в высоком разрешении, используя специализированное оборудование и временами разноцветные огни, чтобы дать прозрачным хлопьям увеличенный цвет и глубину.
Как насчет общей идеи, что нет двух одинаковых снежинок? «Все всегда спрашивают меня об этом», - говорит Либбрехт.
Ответ, оказывается, математическая задача. Если вы определяете снежинку как всего десять молекул воды, то возможно, что две разные хлопья будут идентичны на молекулярном уровне. Но для полноразмерных чешуек, говорит он, крайне маловероятно, что вы оштрафуете два одинаковых, которые встречаются в природе, так же, как шансы двух одинаковых отпечатков пальцев человека чрезвычайно малы. «Как только вы начинаете делать вещи даже немного сложнее, число возможностей астрономически растет, и вероятность даже двух снежинок, которые выглядят одинаково удаленными, падает до нуля», - говорит он.
