Щоб розглянути це питання з наукової точки зору, нам потрібно знати, як сніжинка народжується і наскільки ймовірним є (або неймовірність), що народяться дві однакових.
Сніжинка, знята за допомогою звичайного оптичного мікроскопа
Сніжинка, по своїй суті, це всього лише молекули води, які зв'язуються між собою в певній твердій конфігурації. Більшість цих змін мають деякий вид гексагональної симетрії; це пов'язано з тим, як молекули води з їх певними валентними кутами - які визначаються фізикою атома кисню, двох атомів водню і електромагнітної силою - можуть зв'язуватися між собою. Найпростіший мікроскопічний кристалик снігу, який можна розглянути під мікроскопом, за розмірами складає одну мільйонну частину метра (1 мкм) і може бути дуже простий форми, наприклад, шестикутної кристалічної пластинки. Його ширина приблизно 10 000 атомів, і подібних йому дуже багато.
За даними Книги рекордів Гіннесса, Ненсі Найт з Національного центру атмосферних досліджень, завдяки щасливому випадку виявила дві ідентичних сніжинки, вивчаючи кристали снігу під час сніжної бурі в Вісконсині, взявши з собою мікроскоп. Але коли представники сертифікують дві сніжинки як ідентичні, вони можуть мати на увазі лише те, що сніжинки ідентичні для точності мікроскопа; коли фізика вимагає, щоб дві речі були ідентичні, вони повинні бути ідентичні з точністю до субатомной частки. А значить:
- вам потрібні такі ж частинки,
- в таких же конфігураціях,
- з такими ж зв'язками між собою
- в двох абсолютно різних макроскопічних системах.
Давайте подивимося, як це можна влаштувати.
Одна молекула води - це один атом кисню і два атоми водню, пов'язані між собою. Коли заморожені молекули води зв'язуються між собою, кожна молекула отримує поблизу чотири інших прив'язаних молекули: по одній на кожній з тетраедричних вершин над кожною окремою молекулі. Це призводить до того, що молекули води складаються в форму решітки: шестикутну (або гексагональну) кристалічну решітку. Але великі «кубики» льоду, як в відкладення кварцу, надзвичайно рідкісні. Коли ви заглядаєте в найдрібніші масштаби і конфігурації, ви знаходите, що верхні і нижні площині цієї решітки упаковані і пов'язані дуже щільно: ви маєте «плоскі грані» на двох сторонах. Молекули на що залишилися сторонах більш відкриті, і додаткові молекули води зв'язуються з ними більш довільно. Зокрема, шестигранні кути мають найслабші зв'язку, тому ми спостерігаємо шестикратную симетрію в зростанні кристалів.
Освіта і зростання сніжинки, приватної конфігурації кристала льоду
Нові структури потім ростуть по таким же симетричним схемами, нарощуючи гексагональних асиметрії по досягненні певного розміру. У великих складних кристалах снігу сотні легко помітних особливостей, якщо дивитися під мікроскопом. Сотні особливостей серед приблизно 10 19 молекул води, з яких складається звичайна сніжинка, якщо вірити Чарльзу Найту з Національного центру атмосферних досліджень. На кожну з таких функцій є мільйони можливих місць, де можуть утворитися нові гілочки. Скільки ж може утворити таких нових особливостей сніжинка і при цьому не стати черговою з багатьох?
Щороку у всьому світі падає приблизно 10 15 (квадрильйон) кубометрів снігу на землю, і в кожному кубометрі міститься в кілька сотень мільярдів (10 9) окремих сніжинок. Оскільки Земля існує близько 4,5 мільярдів років, за всю історію на планету впало 10 34 сніжинок. І знаєте, скільки з точки зору статистики окремих, унікальних, симетричних розгалужених особливостей могла мати сніжинка і очікувати двійника в певний момент історії Землі? Всього п'ять. Тоді як у справжніх, великих, природних сніжинок їх зазвичай сотні.
Навіть на рівні одного міліметра в снежинке можна розглянути недосконалості, які складно продублювати
І тільки на самому приземлене рівні можна помилково розглядати дві однакових сніжинки. І якщо ви готові спуститися на молекулярний рівень, ситуація стане набагато гірше. Зазвичай в кисні 8 протонів і 8 нейтронів, а в атомі водню 1 протон і 0 нейтронів. Але 1 з 500 атомів кисню має 10 нейтронів, в 1 з 5000 атомів водню має 1 нейтрон, а не 0. Навіть якщо ви утворите ідеальні шестикутні кристали снігу, і за всю історію планети Земля нарахували 10 34 кристалів снігу, досить буде опуститися до розмірів декількох тисяч молекул (менше довжини видимого світла), щоб знайти унікальну структуру, яку планета ніколи не бачила раніше.
Але якщо проігнорувати атомні і молекулярні відмінності і відмовитися від «природного», у вас буде шанс. Дослідник сніжинок Кеннет Ліббрехт з Каліфорнійського технологічного інституту розробив методику для створення штучних «ідентичних близнюків» сніжинок і фотографує їх за допомогою спеціального мікроскопа під назвою SnowMaster 9000.
Вирощуючи їх пліч-о-пліч в лабораторних умовах, він показав, що можна створити дві сніжинки, які будуть невиразні.
Дві практично ідентичних сніжинки, вирощені в лабораторії Калтеха
Ну майже. Вони будуть невиразні людині, які дивиться своїми очима через мікроскоп, але вони не будуть ідентичні по правді. Як і ідентичні близнюки, вони будуть мати багато відмінностей: у них будуть різні місця зв'язки молекул, різні властивості розгалуження, і чим вони більші, тим сильніше ці відмінності. Ось чому ці сніжинки дуже маленькі, а мікроскоп потужний: вони більш схожі, коли менш складні.
Дві майже ідентичних сніжинки, вирощені в лабораторії в Калтесі
Проте багато сніжинки схожі одна на іншу. Але якщо ви шукаєте дійсно ідентичні сніжинки на структурному, молекулярному або атомному рівні, природа ніколи вам цього не піднесе. Таке число можливостей велике не тільки для історії Землі, а й для історії Всесвіту. Якщо ви хочете знати, скільки вам потрібно планет, щоб отримати дві ідентичні сніжинки за 13,8 мільярдів років історії Всесвіту, відповідь буде близько 10 100000000000000000000000. З огляду на, що в спостережуваному Всесвіті всього 10 80 атомів, це вкрай малоймовірно. Так що так, сніжинки дійсно унікальні. І це м'яко кажучи.