La frase “non ci sono due fiocchi di neve esattamente uguali” suscita meraviglia nel cuore dei bambini di tutto il mondo – ma cosa dice la scienza di questa verità spesso ripetuta? In breve, che la scala conta quando si fanno affermazioni su quanto simili possano essere due oggetti.
A livello visivo, con costose attrezzature di laboratorio, si possono creare fiocchi di neve che sembrano praticamente identici. A livello molecolare, la possibilità di due fiocchi di neve identici è così astronomicamente bassa da essere considerata impossibile.
Come si formano i fiocchi di neve?
Sul suo sito web, Kenneth G. Libbrecht, presidente del dipartimento di fisica del California Institute of Technology e noto fotografo di fiocchi di neve, spiega che all’interno di una nuvola, piccoli cambiamenti nel microambiente intorno a un fiocco di neve influenzano la sua forma. Questo perché questi cambiamenti costringono il fiocco di neve a passare tra due diversi processi di cristallizzazione – sfaccettatura e ramificazione.
La sfaccettatura, il più semplice dei due processi, produce prismi a sei lati grazie alla struttura atomica delle molecole di acqua congelate. La formazione di questi prismi esagonali dà ai fiocchi di neve la loro famosa simmetria a sei lati.
Prismi esagonali semplici prodotti per sfaccettatura. Credit: snowflakes.com.
La ramificazione produce le caratteristiche caotiche che si estendono lontano dai prismi esagonali in crescita; la ramificazione avviene perché gli angoli di quei prismi attraggono il vapore acqueo cristallizzato più rapidamente delle superfici piane:
Esempio base di ramificazione. Credit: snowflakes.com.
I ripetuti spostamenti tra queste due modalità di crescita dei cristalli determinano alla fine le caratteristiche di un fiocco di neve, spiega Libbrecht:
Rotando attraverso le nuvole, il cristallo sperimenta temperature e umidità sempre diverse, e ogni cambiamento fa crescere le braccia in modo leggermente diverso. La forma esatta del cristallo di neve finale è determinata dal percorso preciso che ha preso attraverso le nuvole. Ma i sei bracci hanno fatto tutti lo stesso percorso, e quindi ognuno ha sperimentato gli stessi cambiamenti negli stessi momenti.
Possono due fiocchi di neve assomigliarsi?
Utilizzando condizioni di temperatura e umidità controllate con precisione nel suo laboratorio Caltech, Libbrecht ha creato molti “fiocchi di neve di design”, e può anche controllare la forma finale in qualche misura. Usando questa tecnologia, ha generato quelli che lui chiama fiocchi di neve “gemelli identici” come questo:
Leibrich ha detto via e-mail che descrive questi fiocchi dall’aspetto simile come “gemelli identici” perché, come i gemelli umani, “sono chiaramente abbastanza simili nell’aspetto, ma non sono *esattamente* identici”. Anche se qualitativamente simili, questa somiglianza si rompe una volta che si inizia a guardare su una scala sempre più piccola. Libbrecht ha detto:
Visualmente, al microscopio, si potrebbe dire che sono essenzialmente identici. Ma se si guarda a livello molecolare, sono tutt’altro che identici. Quindi, se si vuole parlare di fiocchi di neve identici, bisogna definire esattamente cosa si intende per identico.
È quindi concepibile che due fiocchi di neve sembrino identici, ma questo è ben lontano dall’essere identici a livello molecolare. Il concetto di due fiocchi di neve “uguali”, quindi, dipende da come viene definito il termine.
Cosa succede a livello molecolare?
A livello molecolare, la probabilità che due fiocchi si formino in modo identico è matematicamente impossibile, dato il numero effettivamente infinito di modi per creare un fiocco di neve, ci ha detto Liebrich:
Il numero di modi possibili per disporre i rami e le ramificazioni laterali è molto, molto, molto più grande anche del numero totale di fiocchi di neve che sono mai caduti sulla Terra.
Oltre all’impossibilità di due microambienti completamente identici per la crescita di due fiocchi di neve al di fuori del laboratorio, anche gli elementi chimici che compongono il fiocco di neve non sono probabilmente identici al 100%. Questo perché in natura c’è una piccola frazione di isotopi di ossigeno e idrogeno che sono leggermente più pesanti della loro forma più comune. L’idea che le molecole d’acqua anomale composte da questi atomi più pesanti possano esistere nello stesso posto in due fiocchi diversi è sia impossibile da dimostrare che irragionevole da supporre.
Che cosa significa essere identici?
La questione se due oggetti possano essere letteralmente identici è una questione con una ricca storia sia nella filosofia che nella fisica teorica. Molti filosofi ritengono che la questione dei fiocchi di neve identici sia inutile, poiché nessun oggetto – nemmeno gli atomi – può essere veramente identico.
Questa affermazione è popolarmente indicata come “legge di Leibniz” ed è stata una questione filosofica vigorosamente dibattuta, in varie forme, per secoli. Sebbene il concetto si applichi a qualsiasi cosa considerata un oggetto, i fiocchi di neve forniscono un modo attraente per illustrare l’implausibilità di oggetti veramente indistinguibili perché, nonostante siano tutti costruiti da molecole d’acqua, ogni fiocco di neve produce individualmente modelli estremamente intricati e complessi.
La somiglianza visiva tra i fiocchi di neve può essere ottenuta solo superficialmente in condizioni di laboratorio estremamente controllate. Come tale, classifichiamo come vera l’affermazione che non ci sono due fiocchi di neve esattamente uguali.
Si tratta di un’affermazione che non ha nulla a che vedere con la realtà.