「雪の結晶はまったく同じものはない」というフレーズは、世界中の子どもたちの心に驚きを与えますが、よく言われるこの真理について科学は何を言っているのでしょうか。
視覚レベルでは、高価な実験装置を使えば、ほとんど同じに見える雪の結晶を作成することができます。 分子レベルでは、2つの同じ雪の結晶ができる可能性は天文学的に低く、不可能と考えられています。
雪の結晶はどのようにしてできるのか
カリフォルニア工科大学の物理学部長で、雪の結晶の写真家としても知られるケネス G. リブレヒト氏は自身のウェブサイトで、雲の中では、雪の結晶を取り巻くミクロ環境の小さな変化がその形に影響すると説明しています。
2つのプロセスのうち単純なファセットでは、凍った水分子の原子構造によって6角柱が作られます。 この六角柱の形成により、雪の結晶は有名な六面対称性を持つようになる。
切子加工でできる単純な六角柱。 Credit: snowflakes.com.
分岐は、成長する六角柱から広がる混沌とした特徴を作り出します。分岐は、これらの角柱の角が、平らな表面よりも結晶化する水蒸気をより速く引き寄せるために起こります。
分岐の基本的な例。
雲の中を転がりながら、結晶は常に変化する温度と湿度を経験し、その変化のたびに腕の成長が少しずつ違ってきます。 最終的な雪の結晶の正確な形は、雲の中を通った正確な道筋によって決まるのです。
2つの雪の結晶は互いに似ているか？
カリフォルニア工科大学の研究室で、温度と湿度を正確に制御した条件を使って、リブレヒトは多くの「デザイナー雪」を作り、最終形状もある程度は制御できるようになっています。 この技術を使って、彼はこのような「一卵性双生児」と呼ぶ雪の結晶を生成しました。
Leibrich は電子メールで、人間の双子のように「見た目は明らかにかなり似ているが、*正確に*同じではない」ことから、これらの似ている結晶を「一卵性双生児」と表現していることを話しました。 質的に似たような外見でありながら、その類似性は、より小さなスケールで見始めると、崩れてしまうでしょう。 Libbrecht said:
視覚的に、顕微鏡で見ると、それらは本質的に同一であると言えるかもしれません。 しかし、分子レベルで見れば、それらは同一とは程遠いものです。
したがって、2つの雪片が同じに見えることは考えられますが、それは分子レベルでは同一とは程遠いものです。
分子レベルでは何が起こっているのか
2つの雪の結晶が「同じ」であるという概念は、その用語がどのように定義されるかに依存するのです。
分子レベルでは、雪の結晶を作る方法が事実上無限にあるため、2 つの結晶が同じになる確率は数学的に不可能であると、リーブリヒ氏は語ります：
枝や側枝を配置する可能な方法の数は、これまで地球に降った雪の結晶の総数よりもはるかに、はるかに、はるかに大きいのです。
研究室の外で2つの雪片が完全に同一の微小環境で成長することは不可能であることに加え、雪片を構成する化学的構成要素も100パーセント同一ではない可能性があります。 自然界には、より一般的な形よりもわずかに重い酸素と水素の同位体がわずかに存在するからだ。 これらの重い原子からなる異常な水分子が、2つの異なる雪片の同じ場所に存在し得るという考えは、実証することは不可能であり、仮定することも不合理です。
同一であることは何を意味するのか
2つのオブジェクトが文字通り同一であるかという問題は、哲学と理論物理学の両方で豊かな歴史を持つ問題である。 多くの哲学者は、2 つのオブジェクト (原子でさえ) が実際には本当に同一であることはできないので、同一の雪の結晶の問題は無意味であるとします。
この主張は一般に「ライプニッツの法則」と呼ばれ、何世紀にもわたって、さまざまな形で精力的に議論されてきた哲学的な問題でした。 この概念は物体とみなされるものすべてに当てはまりますが、雪の結晶は、すべてが水の分子で構成されているという事実にもかかわらず、それぞれの雪の結晶が非常に複雑で複雑なパターンを作り出すため、本当に区別できない物体のありえなさを説明する魅力的な方法を提供しています
雪片間の視覚的類似性は、極めて制御された実験室の条件下でのみ表面的に達成することができます。 そのため、2つの雪の結晶がまったく同じであるという主張は真実であると位置づけている
。