Снежинки глазами Уилсона Бентли и науки

МИСТЕР БЕНТЛИ И ЕГО ЧУВСТВО СНЕГА

Вечная зима, а Рождества и весны все нет и нет! К. С. Льюис. Лев, колдунья и платяной шкаф

Один из самых красивых естественных орнаментов – шестиугольная симметрия снежинки. Ее окружают всевозможные мифы. Считается, что нет двух одинаковых снежинок и каждый лучик снежинки идентичен пяти остальным. Увы, как ни красивы и ни романтичны эти кристаллики льда, оба представленных утверждения о них являются неверными.

Одинаковые снежинки на самом деле существуют, хотя встречаются очень редко, а что касается их лучей, то при внимательном рассмотрении оказывается, что каждый луч снежники существенно отличается от остальных пяти. Нас настолько поражает симметричное строение снежинки, что мы склонны приписывать ее лучам гораздо большую симметричность, чем есть на самом деле. Хотя снежинки кажутся идентичными по длине и по расстоянию между лучами, при внимательном рассмотрении становится понятно, что в них отличаются и отдельные лучи, и стороны лучей.

Первым европейским ученым, который попытался объяснить сложность строения снежинок, стал Иоганн Кеплер, великий астроном, открывший математическую регулярность планетарных орбит Солнечной системы.

 

Всего лишь одна из более чем 5000 микрофотографий снежинок Уилсона Бентли, опубликованных в 1931 году

Эти молекулярные модели отображают один из нескольких возможных типов структуры льда – замерзшей воды. Решетчатое строение льда позволяет понять, почему он жесткий и хрупкий. Мы видим симметрию шестого порядка (№), объясняющую, почему снежинки имеют шестиугольную форму. Атомы кислорода обозначены красными шариками, атомы водорода – серыми палочками. Каждая молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Правая структура идентична левой, но они показаны под разными углами

К сожалению, его методы не могли решить проблему. Кеплер искал во всех проявлениях Вселенной фундаментальную симметрию, присущую Платоновым телам, и считал, что симметрия – непосредственное творение самого Создателя. Он задавался вопросом, есть ли причина того, что снежинка обладает именно такими контурами, была ли эта форма «разработана» для достижения каких-либо грядущих целей либо форма снежинок просто не могла быть иной. Есть ли у этой красоты какое-то особое предназначение либо природа просто проявила в данном случае странную игривость. В конце концов Кеплеру пришлось признать, что он не нашел решения. Но он выразил убеждение, что потомки смогут найти ответ на этот вопрос и понять его: «Шестиугольная форма снега обусловлена той же причиной, что и правильные фигуры, а также постоянные числовые соотношения, присущие растениям. Но поскольку в растениях ничто не происходит без ведома высшего разума (не того, который проявляется в логических умозаключениях, а того, что первоначально был запечатлен в замысле Создателя и сохранен до наших дней чудесными свойствами природы животных), то я считаю, что и в снеге столь упорядоченная форма проявляется отнюдь не случайно».

Снежинки вызвали исключительный интерес среди художников и фотографов. Наиболее известным из них был Уилсон Бентли (1865-1931), получивший прозвище Человек-снежинка. Он был фермером и жил в городе Джерихо, штат Вермонт. Бентли собрал коллекцию из 5381 микрофотографии снежинок. Это работа всей его жизни, в течение которой он пытался поймать их эфемерную красоту.

Бентли был самоучкой, аккуратным и терпеливым. Его мать, бывшая школьная учительница, на пятнадцатилетие подарила ему микроскоп. По воле провидения в тот день шел снег, и первым, что попало под объектив этого подарка, оказалась снежинка. С этой снежинки началось увлечение и работа Бентли, которой он посвятил всю жизнь. Бентли приспособил старый фотоаппарат с мехами к работе с микроскопом, постоянно совершенствовал свои навыки, пока не научился четко фотографировать шестиугольную красоту снежинок. Излишне говорить, что за всю жизнь он так и не нашел двух одинаковых снежинок. Его знаменитая «Кристаллы снега», опубликованная в год его смерти, сделала Бентли легендарной фигурой в мире ученых-академиков и естествоиспытателей, а также одним из ведущих мировых авторитетов в области изучения структуры снега. Бентли опубликовал более 60 исследовательских работ на эту тему, хотя лишь однажды выезжал за пределы штата Вермонт. Его фотографии стали источником материала для исследовательских работ, рождественских открыток и украшений, и научно-популярных статей. Нельзя даже представить себе, чтобы кто-нибудь писал о снежинках, не используя хотя бы одной из прекрасных микрофотографий Бентли.

Сегодня мы гораздо больше знаем и понимаем об очертаниях снежинок, чем это знали и понимали Бентли и его современники, но это не означает, что мы знаем о них все. Снежинки образуются вокруг летающих в воздухе пылинок. Их шестиугольная конфигурация обусловлена шестиугольной симметрией, по которой строятся молекулы воды, когда собираются в решетчатые структуры. На иллюстрации можно видеть две разновидности такой структуры. Красными шариками обозначены атомы кислорода, а серыми палочками – атомы водорода – по два атома водорода на атом кислорода (Н20).

Несмотря на универсальность общего принципа, все кристаллы растут немного по-разному. По мере изменения температуры и влажности окружающей среды летящий кристалл растет, шесть кончиков шестиугольника удлиняются в окружающем водяном паре и обрастают все быстрее, как будто растущие рукава. Внутри каждого кристалла физические условия приблизительно одинаковы, поэтому все лучи растут примерно с одной скоростью, на расстоянии 60 градусов от соседних лучей. По всей длине лучей образуются сложные ответвления и подответвления, как на постепенно прорастающей новогодней елке.

Хотя на первый взгляд лучи снежинки кажутся идентичными, происходит обман зрения из-за доминирующей шестиугольной симметрии. Но если присмотреться, то оказывается, что тончайшие детали зубцов в разных лучах отличаются, они также неодинаковы с двух сторон одного и того же зубца. Чем длиннее и сложнее история падающей снежинки, тем сложнее и многообразнее могут стать ее лучи. У других снежинок будет иная термическая история, так как их путь начинается из разных областей колеблющейся атмосферы, поэтому узор каждой снежинки различен. По мере роста снежинки претерпевают все большие изменения, сильнее отличаясь друг от друга. А вот небольшие, только что зародившиеся снежинки, в которых содержится всего по нескольку десятков молекул воды, выглядят практически одинаковыми. Это разнообразие при сходстве основной структуры и делает снежинки столь притягательными.

Типичный кристаллик снега, из которого развивается снежинка, содержит примерно миллиард миллиардов молекул воды, и примерно каждая тысячная из этих молекул будет необычной. В ее состав будет входить не только водород-протий, но и водород-дейтерий, или же редкий изотоп кислорода. То есть около тысячи миллиардов молекул снежинки будут непохожи на все остальные. Такие числа очень велики и они означают, что вероятность образования двух одинаковых снежинок исключительно редка. Миллиард – это очень большое число. Если бы вы родились и сразу начали считать, то до сих пор не успели бы досчитать до миллиарда. Итак, практически можно утверждать, что все снежинки уникальны.

На самом деле возникновение базовых кристаллических форм, задающих основы строения снежинок, также может начинаться по-разному в зависимости от того, по какой траектории падает образующийся снег. В атмосфере возникают ледяные кристаллы всевозможных форм, некоторые разновидности настолько мелкие, что мы их просто не замечаем – с богатейшим набором форм и размеров. Классические снежинки – самые красивые и фотогеничные, поэтому они и привлекают основное внимание.

Со снежинками все еще связано множество загадочных, невыясненных вопросов. Как кончики каждого луча узнают, насколько длинны остальные лучи? Каков процесс, заставляющий лучи расти поэтапно? Согласно одной из теорий в кристалле возникают вибрации и лучи синхронизируются, как группа солдат, идущих в ногу. Такие скоординированные осцилляции позволяют поддерживать равномерный рост различных частей снежинки. Случайная природа этих процессов означает, что ни один луч не захватывает больше пара, чем все остальные, поэтому практически все части снежинки растут синхронно. Все это интуитивно кажется логичным, но нам еще не хватает комплексного описания внутренних вибраций, из-за которых все и происходит, причем происходит гладко, со столь незначительными вариациями и в таких быстро меняющихся условиях.