Sformułowanie „żadne dwa płatki śniegu nie są dokładnie takie same” wywołuje zachwyt w sercach dzieci na całym świecie – ale co nauka mówi o tym często powtarzanym truizmie? W skrócie, że skala ma znaczenie przy formułowaniu twierdzeń o tym, jak podobne mogą być dwa obiekty.
Na poziomie wizualnym, z drogim sprzętem laboratoryjnym, można stworzyć płatki śniegu, które wyglądają całkiem identycznie. Na poziomie molekularnym szansa na dwa identyczne płatki śniegu jest tak astronomicznie niska, że uważa się ją za niemożliwą.
Jak powstają płatki śniegu?
Na swojej stronie internetowej Kenneth G. Libbrecht, przewodniczący wydziału fizyki w Kalifornijskim Instytucie Technologii i znany fotograf płatków śniegu, wyjaśnia, że wewnątrz chmury małe zmiany w mikrośrodowisku wokół płatka śniegu wpływają na jego kształt. Dzieje się tak, ponieważ zmiany te zmuszają płatek śniegu do przechodzenia pomiędzy dwoma różnymi procesami krystalizacji – fasetowaniem i rozgałęzianiem.
Facetowanie, prostszy z tych dwóch procesów, wytwarza sześcioboczne pryzmaty dzięki strukturze atomowej zamrożonych cząsteczek wody. Tworzenie się tych sześciokątnych pryzmatów nadaje płatkom śniegu ich słynną sześciokątną symetrię.
Proste pryzmaty sześciokątne powstałe w wyniku fasetowania. Credit: snowflakes.com.
Rozgałęzienia tworzą chaotyczne cechy, które rozciągają się od rosnących sześciokątnych pryzmatów; rozgałęzienia zdarzają się, ponieważ rogi tych pryzmatów przyciągają krystalizującą się parę wodną szybciej niż płaskie powierzchnie:
Podstawowy przykład rozgałęzień. Credit: snowflakes.com.
Powtarzająca się zmiana pomiędzy tymi dwoma trybami wzrostu kryształu ostatecznie określa charakterystykę płatka śniegu, wyjaśnia Libbrecht:
Podążając przez chmury, kryształ doświadcza ciągle zmieniających się temperatur i wilgotności, a każda zmiana sprawia, że ramiona rosną nieco inaczej. Dokładny kształt ostatecznego kryształu śniegu jest określony przez dokładną drogę, jaką przebył przez chmury. Ale wszystkie sześć ramion przebyło tę samą drogę, a więc każde z nich doświadczyło tych samych zmian w tym samym czasie.
Czy dwa płatki śniegu mogą wyglądać tak samo?
Używając precyzyjnie kontrolowanych warunków temperatury i wilgotności w swoim laboratorium Caltech, Libbrecht stworzył wiele „designerskich płatków śniegu”, a nawet może kontrolować ostateczny kształt do pewnego stopnia. Używając tej technologii, wygenerował coś, co nazywa „identycznymi bliźniaczymi” płatkami śniegu, jak ten:
Leibrich powiedział przez e-mail, że opisuje te podobnie wyglądające płatki jako „identyczne bliźniaki”, ponieważ, podobnie jak ludzkie bliźnięta, „są one wyraźnie dość podobne w wyglądzie, ale nie są *dokładnie* identyczne.” Choć jakościowo wyglądają podobnie, to podobieństwo to załamałoby się, gdy zaczęlibyśmy patrzeć w coraz mniejszej skali. Libbrecht powiedział:
Wizualnie, pod mikroskopem, można powiedzieć, że są zasadniczo identyczne. Ale jeśli spojrzeć na poziomie molekularnym, są one dalekie od identyczności. Jeśli więc chcesz mówić o identycznych płatkach śniegu, musisz dokładnie określić, co rozumiesz przez identyczne.
Można więc sobie wyobrazić, że dwa płatki śniegu wyglądają identycznie, ale jest to dalekie od bycia identycznymi na poziomie molekularnym. Koncepcja dwóch płatków śniegu, które są „podobne”, zależy od tego, jak ten termin jest zdefiniowany.
Co się dzieje na poziomie molekularnym?
Na poziomie molekularnym, prawdopodobieństwo, że dwa płatki uformowane identycznie jest matematycznie niemożliwe, biorąc pod uwagę efektywnie nieskończoną liczbę sposobów tworzenia płatka śniegu, Liebrich powiedział nam:
Liczba możliwych sposobów ułożenia gałęzi i gałęzi bocznych jest o wiele, wiele, wiele większa niż nawet całkowita liczba płatków śniegu, które kiedykolwiek spadły na Ziemię.
Na szczycie niemożliwości dwóch całkowicie identycznych mikrośrodowisk dla dwóch płatków śniegu rosnąć poza laboratorium, chemiczne bloki konstrukcyjne, które tworzą płatek śniegu nie są prawdopodobnie 100 procent identyczne albo. Dzieje się tak, ponieważ w naturze istnieje niewielka frakcja izotopów tlenu i wodoru, które są nieco cięższe niż ich bardziej powszechna forma. Pomysł, że anomalne cząsteczki wody zbudowane z tych cięższych atomów mogłyby istnieć w tym samym miejscu w dwóch różnych płatkach jest zarówno niemożliwy do wykazania, jak i nierozsądny do założenia.
Co to w ogóle znaczy być identycznym?
Pytanie o to, czy dwa obiekty mogą być dosłownie identyczne, ma bogatą historię zarówno w filozofii, jak i fizyce teoretycznej. Wielu filozofów uważa, że pytanie o identyczne płatki śniegu jest bezcelowe, ponieważ żadne dwa obiekty – nawet atomy – nie mogą być rzeczywiście identyczne.
Twierdzenie to jest popularnie określane jako „Prawo Leibniza” i było ono żywo dyskutowanym pytaniem filozoficznym, w różnych formach, przez wieki. Chociaż koncepcja ta miałaby zastosowanie do wszystkiego, co uważane jest za obiekt, płatki śniegu stanowią atrakcyjny sposób zilustrowania niewiarygodności prawdziwie nieodróżnialnych obiektów, ponieważ pomimo faktu, że wszystkie zbudowane są z cząsteczek wody, każdy płatek śniegu indywidualnie tworzy niezwykle zawiłe i złożone wzory.
Wizualne podobieństwo pomiędzy płatkami śniegu może być osiągnięte jedynie powierzchownie w skrajnie kontrolowanych warunkach laboratoryjnych. W związku z tym twierdzenie, że żadne dwa płatki śniegu nie są dokładnie takie same, uważamy za prawdziwe.
.