L’expression » il n’y a pas deux flocons de neige exactement semblables » suscite l’émerveillement dans le cœur des enfants du monde entier – mais que dit la science de ce truisme maintes fois répété ? En bref, que l’échelle a de l’importance lorsqu’on fait des affirmations sur la similarité de deux objets.
Au niveau visuel, avec un équipement de laboratoire coûteux, vous pouvez créer des flocons de neige qui semblent à peu près identiques. Au niveau moléculaire, la probabilité de deux flocons de neige identiques est si astronomiquement faible qu’elle est considérée comme impossible.
Comment se forment les flocons de neige ?
Sur son site web, Kenneth G. Libbrecht, le président du département de physique de l’Institut de technologie de Californie et un photographe de flocons de neige bien connu, explique qu’à l’intérieur d’un nuage, de petits changements dans le microenvironnement autour d’un flocon de neige influencent sa forme. C’est parce que ces changements forcent le flocon de neige à passer d’un processus de cristallisation à l’autre – la facette et la ramification.
La facette, le plus simple des deux processus, produit des prismes à six côtés grâce à la structure atomique des molécules d’eau gelées. La formation de ces prismes hexagonaux donne aux flocons de neige leur fameuse symétrie à six côtés.
Primes hexagonaux simples produits par le facettage. Crédit : snowflakes.com.
La ramification produit les caractéristiques chaotiques qui s’étendent loin des prismes hexagonaux en croissance ; la ramification se produit parce que les coins de ces prismes attirent la vapeur d’eau cristallisante plus rapidement que les surfaces plates :
Exemple basique de ramification. Crédit : snowflakes.com.
Le passage répété entre ces deux modes de croissance du cristal détermine en fin de compte les caractéristiques d’un flocon de neige, explique Libbrecht :
En dégringolant à travers les nuages, le cristal subit des températures et des humidités toujours différentes, et chaque changement fait croître les bras un peu différemment. La forme exacte du cristal de neige final est déterminée par le chemin précis qu’il a emprunté à travers les nuages. Mais les six bras ont tous emprunté le même chemin, et donc chacun a connu les mêmes changements aux mêmes moments.
Peut-on avoir deux flocons de neige qui se ressemblent ?
En utilisant des conditions de température et d’humidité contrôlées avec précision dans son laboratoire de Caltech, Libbrecht a créé de nombreux « flocons de neige de conception », et peut même contrôler la forme finale dans une certaine mesure. Grâce à cette technologie, il a généré ce qu’il appelle des flocons de neige « jumeaux identiques » comme celui-ci :
Leibrich a déclaré par courriel qu’il décrit ces flocons d’apparence similaire comme des « jumeaux identiques » parce que, comme les jumeaux humains, « ils sont clairement assez similaires en apparence, mais ils ne sont pas *exactement* identiques ». Bien que d’apparence qualitativement similaire, cette similitude s’effondrerait dès que l’on commence à regarder à une échelle de plus en plus petite. Libbrecht a dit:
Visuellement, au microscope, vous pourriez dire qu’ils sont essentiellement identiques. Mais si vous regardez au niveau moléculaire, ils sont loin d’être identiques. Donc si vous voulez parler de flocons de neige identiques, vous devez définir exactement ce que vous entendez par identique.
Il est donc concevable que deux flocons de neige aient l’air identiques, mais c’est loin d’être identique au niveau moléculaire. Le concept de deux flocons de neige « semblables » repose donc sur la façon dont on définit ce terme.
Que se passe-t-il au niveau moléculaire ?
Au niveau moléculaire, la probabilité que deux flocons se soient formés de façon identique est mathématiquement impossible étant donné le nombre effectivement infini de façons de créer un flocon de neige, nous a dit Liebrich :
Le nombre de façons possibles de disposer les branches et les branches latérales est beaucoup, beaucoup, beaucoup plus grand que même le nombre total de flocons de neige qui sont tombés sur Terre.
En plus de l’impossibilité de deux micro-environnements totalement identiques pour deux flocons de neige de se développer en dehors du laboratoire, les blocs de construction chimiques qui composent le flocon de neige ne sont probablement pas 100 pour cent identiques non plus. En effet, dans la nature, il existe une petite fraction d’isotopes d’oxygène et d’hydrogène qui sont légèrement plus lourds que leur forme la plus courante. L’idée que les molécules d’eau anormales constituées de ces atomes plus lourds puissent exister au même endroit dans deux flocons différents est à la fois impossible à démontrer et déraisonnable à supposer.
Que signifie même être identique ?
La question de savoir si deux objets peuvent être littéralement identiques a une histoire riche à la fois en philosophie et en physique théorique. De nombreux philosophes soutiennent que la question des flocons de neige identiques est inutile, car aucun objet – même les atomes – ne peut être vraiment identique.
Cette affirmation est populairement appelée « loi de Leibniz » et elle a été une question philosophique vigoureusement débattue, sous diverses formes, pendant des siècles. Alors que le concept s’appliquerait à tout ce qui est considéré comme un objet, les flocons de neige fournissent un moyen attrayant d’illustrer l’invraisemblance d’objets vraiment indiscernables car, malgré le fait qu’ils sont tous construits à partir de molécules d’eau, chaque flocon de neige produit individuellement des motifs extrêmement complexes et compliqués.
La similitude visuelle entre les flocons de neige ne peut être obtenue que superficiellement dans des conditions de laboratoire extrêmement contrôlées. En tant que tel, nous classons l’affirmation selon laquelle il n’y a pas deux flocons de neige exactement semblables comme vraie.