Найди одинаковые снежинки для детей. Почему не бывает одинаковых снежинок
Знакомое каждое школьнику утверждение, что не бывает двух одинаковых снежинок, неоднократно подвергалось сомнениям. Но уникальные исследования Калифорнийского технологического университета смогли поставить последнюю точку в этом поистине новогоднем вопросе.
Снег образуется, когда микроскопические капли воды в облаках притягиваются к пылевым частицам и замерзают.
Появляющиеся при этом кристаллы льда, не превышающие поначалу 0,1 мм в диаметре, падают вниз и растут в результате конденсации на них влаги из воздуха. При этом образуются шестиконечные кристаллические формы.
Из-за структуры молекул воды между лучами кристалла возможны углы лишь в 60° и 120°. Основной кристалл воды имеет в плоскости форму правильного шестиугольника. На вершинах такого шестиугольника затем осаждаются новые кристаллы, на них - новые, и так получаются разнообразные формы звёздочек-снежинок.
Профессор физики Калифорнийского университета Кэннет Либбрехт обнародовал результаты многолетних исследований своей научной группы. «Если вы видите две одинаковые снежинки – они все равно различаются!» — утверждает профессор.
Либбрехт доказал, что в составе молекул снега примерно на каждые пятьсот атомов кислорода с массой 16 г/моль приходится один атом с массой 18 г/моль.
Устройство связей молекулы с таким атомом таково, что предполагает бесчисленное количество вариантов соединений внутри кристаллической решетки.
Другими словами – если две снежинки действительно выглядят одинаково, то их идентичность еще нужно проверить на микроскопическом уровне.
Изучение свойств снега (и, в частности, снежинок) — не детская забава. Знания о природе снега и снежных облаков очень важны при исследовании климатических изменений.
Налетел ветер и закружил снежинки.
Дети выполняют движения в соответствии с текстом.
Мы снежинки, мы пушинки, Покружиться мы не прочь. Мы снежинки-балеринки, Мы танцуем день и ночь. Встанем вместе все в кружок - Получается снежок. Мы деревья побелили, Крыши пухом замели, Землю бархатом укрыли И от стужи сберегли.
И. п. - ноги на ширине плеч, руки свободно подняты вверх, кисти расслаблены. Потряхивая кистями, повернуть туловище влево, вернуться в и. п. То же - в другую сторону. Дети кружатся, плавно двигая руками.
4. Лабиринт «Помогите заблудившимся снежинкам найти друг друга» (рис. 28, прил.).
Рассмотри снежинки, нарисованные на листочках вверху, внизу. Найди одинаковые.
Помоги одинаковым снежинкам найти друг друга. Начинай рисовать сверху вниз.
5. Задание «Найди снежинке пару» (рис. 29, прил.).
Детям раздаются карточки, на которых изображены 4 разные снежинки и 2 одинаковые.
Найдите одинаковые снежинки и расскажите, где они расположены.
6. Задание «Составь снежинку» (из геометрических фигур).
Дети выполняют задание по инструкции педагога:
В центр фланелеграфа положи синий круг; сверху, снизу, справа, слева от круга положи белые треугольники; между треугольниками - синие прямоугольники; палочками вокруг своей фигуры выложи круг. Получилась снежинка.
Сделай свою снежинку и расскажи, из каких геометрических фигур она состоит, где какая деталь находится.
7. Дети украшают группу вырезанными на занятии снежинками, предварительно обсудив, куда они их разместят.
8. Подведение итогов.
Занятие 11. «Обитатели зимнего леса» Программное содержание:
1. Развивать активное использование детьми пространственных терминов (за, перед и т. п.).
2. Закреплять понимание детьми заслоненности изображений.
3. Развивать логическое мышление, память.
Оборудование: демонстрационный материал - магнитная доска с рисунками деревьев (летними и зимними вариантами), цветные изображения диких животных; рисунки с «Тангра-мом»; раздаточный материал - карточки с заданиями; трафареты диких животных, деревьев, листы бумаги, простые карандаши, ножницы, бумажные квадраты к заданию «Танграм».
Словарная работа: дикие животные, волк, заяц, лиса, медведь, лось, еж, берлога, нора.
Ход занятия.
Педагог предлагает детям посоревноваться.
Внимание! Внимание! Начинается соревнование! Кто назовет больше всех лесных зве
рей, тот победитель!
Дети называют зверей (волк, лиса, заяц и т. п.). Педагог в это время на магнитную доску с зелеными деревьями расставляет картинки названных зверей. Определяется победитель, ему - как лучшему знатоку - дают следующее задание. Если ребенок не справляется, ему помогают остальные.
Кого из этих зверей мы не встретим в зимнем лесу? (Медведь спит, еж спит, заяц
становится белым их. п.)
На магнитной доске зеленые деревья меняются на зимние и убираются лишние звери.
1. Задание «Найди, кто прячется в зимнем лесу?» (рис. 30, прил.).
Детям предлагается рассмотреть иллюстрацию, найти и назвать всех животных, изображенных на ней.
Почему на картинке видны только части животных? Расскажите, где они прячутся.
Что расположено перед ними?
2. Лабиринт «Найдите, где чей след».
В лесу выпал снег. Звери, бегая по снегу, оставляют много следов. Все следы перепу
тались.
Детям раздают карточки с изображением животных: лисы, зайца, вороны - и их следы. От каждого зверя к его следу идет запутанная линия, линии между собой перепутаны.
3. Физкультурная минутка. Подвижная игра «Зайчики».
Дети выполняют соответствующие движения.
Зайцы скачут:
Скок, скок, скок...
Да на беленький снежок
Приседают - слушают,
Не идет ли волк.
Ножками топали,
Ручками хлопали,
Вправо, влево наклонялись
И обратно возвращались.
Вот здоровья в чем секрет!
Всем друзьям - физкультпривет!
4. Задание «Положи трафареты животных так, как я скажу. Расскажи, кто из зверей и где находится».
5. Педагог читает детям стихотворение В. Левановского:
Что для зайца стометровка? Как стрела, летит косой! Вот что значит тренировка Вместе с тренером-лисой.
О чем идет речь в этом стихотворении? (Лиса хочет поймать зайца.)
Лиса всегда хочет поймать зайчика, но это ей редко удается. Как вы думаете, почему? (Заяц быстро бегает.)
Он не только умеет быстро бегать - он умеет запутывать следы. Зайчик никогда не бегает по прямой дорожке, он бегает между деревьями и кустами и этим путает лису.
Лабиринт «Помогите зайчику добежать до его норки» (рис. 31, прил.).
Расскажи, как шел зайчик.
6. Задание «Танграм».
Разрежь квадрат по линиям, из полученных фигур сложи лисичек по образцу» (рис.
32, прил.).
7. Подведение итогов.
Занятие 12. «В гостях у сказки»" Программное содержание:
1. Совершенствовать умение детей ориентироваться в микропространстве.
2. Совершенствовать умение детей определять и словесно обозначать направление движения.
3. Развивать мелкую моторику рук.
Оборудование: демонстрационный материал - две карточки с изображением фантастических животных; раздаточный материал - карточки к заданиями, простые карандаши.
Словарная работа: сказка, волшебство, выдумка, фантазия, Баба-Яга, Царевна-лягушка, Иван-царевич.
Ход занятия.
Русский народ собрал в свою копилку множество чудесных сказок. Каких? («Гуси лебеди», «Царевна-лягушка» и т. д.) Зачем люди сочиняют сказки? (Ответы детей.)
Люди сочиняют сказки, чтобы рассказывать их своим детям, учить видеть добро и зло. Недаром в сказках зло наказывается, а добро побеждает. Сказка учит мудрости и тому, что добро в ответ рождает добро. Человек должен расплачиваться за свои ошибки, поступки, желания, и только доброта и любовь сделают жизнь счастливее. Для сказки нет ничего невозможного, одним словом или жестом в ней оживают предметы, животные и совершаются чудесные превращения. Сегодня тоже происходят чудеса, к нам пришло письмо от Бабы-Яги.
Педагог читает письмо: «Ну что, ребятушки! Весело живется вам в детском саду? Поете, танцуете! Дружно живете! А вот мне одной в лесу ой как скучно! И решила я подшутить над вами и заколдовала все задания! Решите - молодцы, а не решите - всех заколдую! Ваши Баба-Яга».
1. Задание «Назови зверей».
Педагог показывает детям две карточки, на каждой изображены по два заколдованных зверя. Каждый из них состоит из двух не соответствующих друг другу частей. Детям предла гают сказать, каких зверей они узнали на картинках. (Змея и олень, корова и лев.)
2. Задание «Назови животных и расскажи, в какой части листа они нарисованы».
Детям показывают картину, на которой нарисованы части тела животных (от свиньи -
уши и пятачок, от петуха - лапы и хвост, от зайца - уши, от кота - усы и уши).
3. Физкультурная минутка.
Подвижная игра.
Дети играют с Бабой-Ягой.
Баба-Яга, костяная нога, С печки упала, Ногу сломала, Пошла в огород, Дошла до ворот.
Баба-Яга догоняет детей. Кого метлой (рукой) заденет, тот замирает. Игра заканчивается, когда все дети замрут.
4. Задание «Дорисуй лес» (рис. 35, прил.).
Дети получают индивидуальные карточки, дорисовывают недостающие детали, а затем рассказывают, как они расположены.
5. Задание «Соедини точки по порядку» (рис. 33, прил.).
Из какой сказки этот предмет? («Царевна-лягушка».)
В какую сторону летит стрела? Нарисуйте стрелу, летящую вверх, направо, вниз и т. и.
6. Задание «Дорисуй вторую половину короны для Ивана-царевича».
Детям предлагаются карточки с изображением половины короны. Дети объясняют, как нужно рисовать «зубчики» на короне:
Сначала ведем карандаш вверх направо, потом вниз направо.
Затем дорисовывают вторую половину короны самостоятельно.
7. Лабиринт «Помоги Ивану-царевичу дойти до болота» (рис. 34, прил.).
Каждый ребенок проговаривает путь Ивана-царевича. Педагог поощряет детей за правильные ответы.
8. Подведение итогов.
Занятие 13. «Мастерская Деда Мороза» Программное содержание:
1. Совершенствовать умение детей ориентироваться в микропространстве (на листе, на доске).
2. Учить самостоятельно располагать предметы в названных направлениях микропространства, словесно обозначать расположение предметов.
3. Учить детей определять направление и местоположение предметов, находящихся на значительном расстоянии от них.
4. Развивать мелкую моторику рук. Развивать воображение, внимание.
Оборудование:
демонстрационный материал - рисунок елки на магнитной доске;
рисунок с образцом елочной игрушки, рисунок «Дед Мороз с мешками подарков»; раздаточный материал - карточки с заданиями; простые карандаши, цветные карандаши, нож= ницы.
Словарная работа: Новый год, Рождество, елка, подарки, Дед Мороз, Снегурочка, чудеса, елочные украшения, гирлянды.
Ход занятия.
Педагог читает детям стихотворение Ю. Капотова:
На елочке нашей - смешные игрушки: Смешные ежи и смешные лягушки, Смешные медведи, смешные олени, Смешные моржи и смешные тюлени! Мы тоже немножко в масках смешные. Смешными мы Деду Морозу нужны, Чтоб радостно было, чтоб слышался смех, Ведь праздник сегодня веселый у всех.
Какой скоро праздник? (Новый год.) Мы все готовимся к празднику, шьем новогод
ние костюмы, готовим подарки друзьям и близким, украшаем елки и свои дома. Готовится к
празднику и Дед Мороз. Сегодня мы с вами отправимся в мастерскую к Деду Морозу и тоже
будем ему помогать.
1. Задание.
Чем украшена елка? Где на елке расположены шишки, флажки, шары? Дорисуй гирлянды, укрась макушку елки.
Нарисуй под елкой подарок, который ты хочешь получить на Новый год (рис. 36, прил.).
2. Задание «Изготовь игрушки» (рис. 37, прил.).
Детям показывают образец шара, украшенного орнаментом из геометрических фигур (чередуются треугольники, кружки и т. д.). Раздаются карточки с изображением шара и флажка.
Придумай свой орнамент на шаре из геометрических фигур.
На флажке нарисуй снежинку.
Раскрась и вырежи.
3. Физкультурная минутка. Под музыку «В лесу родилась елочка» дети водят хоровод, изображают героев песни.
4. Задание «Повесь игрушку на елке, куда я скажу».
Ребенку предлагается «развесить» изготовленные игрушки на елке, расположенной на магнитной доске, по словесным инструкциям других детей. Задание выполняют все дети.
5. Задание.
Детям раздаются карточки с изображением точек, пронумерованных цифрами от 1 до 10. Если соединить точки, получится звезда.
Соедините точки по порядку. Вырежьте то, что получилось.
Найди полученному предмету место на елке. Расскажите, куда вы повесили звезду.
6. Задание «Помоги Деду Морозу найти недостающую игрушку».
Детям показывают рисунок, на котором изображен Дед Мороз и два мешка с подарками. На одном мешке нарисованы пять игрушек, на другом нарисованы четыре подобные игрушки, одной игрушки не хватает. Игрушка (реальный предмет), аналогичная недостающей, расположена в группе на значительном расстоянии от детей (в 3 - 4 метрах).
Какой игрушки не хватает? Найдите эту игрушку в группе и расскажите, где она
расположена.
7. Задание «Чудесный мешочек».
Дед Мороз просил поблагодарить детей за работу и прислал мешочек с подарками.
Угадаешь - подарок твой (подарки - воздушные шарики, карандаш, конфета и т. п.).
8. Подведение итогов.
Занятие 14. -«Зимние забавы» Программное содержание:
1. Совершенствовать умения детей ориентироваться в микропространстве (на доске, листе).
2. Учить описывать местоположение предмета при помощи пространственных терминов
(возле, около и т. п.).
3. Учить моделировать простейшие пространственные отношения с помощью фишек.
4. Совершенствовать умение детей передвигаться в заданном направлении, сохранять и изменять направление движения.
5. Развивать внимание, глазомер.
Оборудование: демонстрационный материал - сюжетная картина «Зимние забавы», карта леса; раздаточный материал - карточки с заданиями; схемы пути, простые карандаши, листы бумаги, фишки.
Словарная работа: забавы, зимние виды спорта, хоккей, катание на коньках, лыжах, на санках, горные лыжи, снежки.
Ход занятия.
Педагог предлагает детям послушать запись песни «Кабы не было зимы» (ел. Ю. Энтина, муз. Е. Крылатова).
Кабы не было зимы В городах и селах, Никогда б не знали мы Этих дней веселых...
О каких веселых днях говорится в этой песне? (О зимних днях, когда можно поиграть
на улице.) Во что играют дети на прогулке зимой? (Катаются на коньках, лыжах, санках,
играют в снежки и т. п.)
1. Задание.
На доске сюжетная картина «Зимние забавы».
Детям предлагают рассказать, чем заняты дети, расположенные в центре картины (в центре картины каток, дети играют в хоккей), затем о тех ребятах, которые изображены в верхнем правом углу (ребята играют в снежки), - таким образом, описывается вся картина.
2. Задание «Расскажи, что нарисовано на переднем, заднем плане и в центре картины
«Зимние забавы».
Картина условно делится на передний план, центральную часть и задний план. Педагог обсуждает с детьми, что расположено на каждой части картины. Например: на переднем плане
нарисованы дети с санками, они собираются скатиться с горы, в центре картины каток, на катке ребята играют в хоккей и т. п.
3. Задание.
Выложи с помощью фишек модель картины: расположи фишки на фланелеграфе так,
как расположены на ней дети.
4. Физкультурная минутка. Подвижная игра «Снежки».
Дети сминают лист бумаги в комок - получаются «снежки». «Снежком» надо попасть в мишень от игры «Дартс» или в любую другую мишень.
5. Задание «Опиши свой путь».
Педагог предлагает детям представить, что они идут на лыжную прогулку в лес. А чтобы они не заблудились, знакомит их с картой леса (рис. 38, прил.) и каждому дает свою схему пути (рис. 39, прил.). Детям предлагается нарисовать путь до базы в соответствии со своей схемой пути.
Затем педагог предлагает детям по очереди пройти в таких же направлениях в групповом пространстве, обозначая при этом направление движения в речи.
6. Задание «Найди пару перчаток» (рис. 40, прил.).
Кот Котофей любит играть в снежки, он собрался идти на прогулку, но не может найти
пару для своей перчатки. Помогите Котофею найти две одинаковые перчатки. Расскажите, где
они расположены.
7. Лабиринт «Подберите партнеров по фигурному катанию» (рис. 41, прил.).
Затем детям предлагается объединиться парами и воспроизвести позу пары фигуристов.
8. Педагог загадывает детям загадки и беседует о том, какое зимнее развлечение детям
больше всего нравится.
Мчусь, как пуля, я вперед, Лишь поскрипывает лед, Да мелькают огоньки! Кто несет меня? (Коньки.)
Взял дубовых два бруска, Два железных полозка, На бруски набил я планки. Дайте снег! Готовы... (Санки.)
9. Подведение итогов.
Занятие 15. «Электроприборы» (бытовая техника) Программное содержание:
1. Развивать пространственное воображение детей: учить их мысленно представлять себя
на месте, которое занимает в пространстве тот или иной предмет.
2. Закреплять умение детей ориентироваться в микропространстве (на листе, на фланелеграфе).
3. Тренировать зрительные функции - различения, локализации и прослеживания. Раз-
вивать логическое мышление, память.
Оборудование: демонстрационный материал - карточки с изображением электрических приборов и предметов быта; карточки с изображением кухни, ванной комнаты, зала, детской, спальни; раздаточный материал - карточки с заданиями, простые карандаши, индивидуальные фланелеграфы.
Словарная работа: электричество, электроприборы, бытовая техника, пылесос, электрический чайник, утюг, автоматическая стиральная машина, телевизор, магнитофон, компьютер.
Ход занятия.
Педагог включает свет и спрашивает детей, что он делает.
Кто знает, почему включается лампочка, что помогает ей так ярко гореть? (Электриче
ство.) Можно ли в природе встретить электричество? (Молния.) Молния - это электричес
кий разряд.
Педагог спрашивает детей, ощущали ли они на себе легкий треск, а иногда даже искры? (Да, когда раздеваешься, иногда вещи «щелкают».)
Это тоже электричество. Иногда слышно потрескивание синтетической одежды, когда ее снимаешь. Иногда расческа липнет к волосам - и волосы «встают дыбом». Вещи, волосы, наше тело электризуются. В нашей группе тоже есть электричество. По каким приметам вы можете догадаться о наличии электричества? (Розетки, провода, лампы, магнитофон и т. п.)
Электричество есть сейчас в каждом доме. Это наш самый первый помощник. С помо щью электричества работают все электроприборы. Много лет назад человек не знал, что электричеством можно пользоваться. Трудно приходилось человеку справляться с бытовыми проблемами. Давайте на несколько минут вернемся в прошлое и посмотрим, как люди обходились без электричества.
Одинаковые снежинки в природе встречаются. В исключительных случаях. Впервые это было зафиксировано специалистами Национального центра атмосферных исследований США в 1988 году.
Фото: pixabay.com
Исследователь Нэнси Найт в своей работе «No Two Alike?» доказала, что в природе могут встречаться идентичные снежинки.
К такому заключению Найт пришла после того, как опытным путем получила одинаковые снежинки в лабораторных условиях. Свою теорию она доказала математическим путем, через теорию вероятности. Она вывела 100 отличительных признаков снежинок, по которым можно судить о том, что существует 10 в 158 степени различных вариантов снежинок. И, хотя полученное число бесконечно велико, это не исключает возможности совпадения снежинок, утверждает Найт.
В то же время, по утверждению профессора физики Калифорнийского университета Кэннета Либбрехта , внешне одинаковые снежинки обладают различиями во внутреннем строении, а именно — в кристаллической решетке. Поэтому нельзя сказать, что в принципе возможно найти полностью одинаковые снежинки по форме и по атомной структуре.
Как формируются снежинки и почему их форма разная?
Процесс образования снежинок включает в себя сублимацию кристаллов из газовой фазы, минуя жидкое состояние. При формировании снежинки молекулы воды хаотично нарастают с момента формирования начального кристалла. Таким образом, рост снежинки идет неупорядоченным образом.
Рост снежинок зависит от внешних условий, таких, как температура и влажность воздуха. В зависимости от этих и других условий новые слои молекул накладываются друг на друга, образуя каждый раз новую форму снежинки.
Все снежинки имеют шесть граней, поскольку при замерзании молекулы воды выстраиваются особым порядком, в результате чего образуется шестигранная геометрическая фигура.
Рост снежинки обусловлен температурой воздуха, при которой происходило ее формирование. Чем ниже была температура, тем меньше будет и размер снежинки.
Направления роста снежинки обусловлены тем, что кристаллы льда шестиугольные. Два кристаллика не могут соединиться углом, они всегда присоединяются друг к другу гранью. Поэтому лучи всегда растут в шесть сторон, а от луча может отходить «ветка» только под углом 60 или 120 градусов.
Ученые выделяют два варианта образования снежных кристаллов. В первом случае водяной пар, занесенный ветром на очень большую высоту, где температура составляет около 40° С, может внезапно замерзнуть, образовав кристаллы льда. В нижнем слое облаков, где вода замерзает медленнее, кристалл создается вокруг маленькой пылинки или частицы грунта. Этот кристалл, которых в одной снежинке насчитывается от 2 до 200, имеет форму шестигранника, поэтому большинство снежинок представляют собой шестиконечную звезду.
«Страна Снегов» - такое поэтическое название придумали для Тибета его жители.
Форма снежинки зависит от многих факторов: температуры вокруг, влажности, давления. Тем не менее, выделяют 7 основных видов кристаллов: пластинки (если температура в облаке – от -3 до 0°С), звёздчатые кристаллы, столбцы (от -8 до -5°С), иглы, пространственные дендриты, столбцы с наконечником и неправильные формы. Примечательно, что если при падении снежинка вращается, то форма её будет идеально симметричной, а если будет падать боком или как-то иначе – то нет.
Кристаллы льда шестиугольные: они не могут соединиться углом – только гранью. Поэтому лучи от снежинки всегда растут в шесть сторон, а разветвление от луча может отходить только под уголом 60 или 120°.
С 2012 года в предпоследнее воскресенье января отмечается «Всемирный день снега». Инициаторами этого выступила Международная федерация лыжного спорта.
Снежинки кажутся белыми из-за заключенного в них воздуха: свет разных частот отображается на гранях между кристаллами и рассеивается. Размер обычной снежинки составляет около 5 мм в диаметре, а масса – 0, 004г.
При озвучивании фильма «Александр Невский» скрип снега получали путем сжимания смешанного сахара и соли.
Считается, что двух одинаковых снежинок не бывает. Впервые это было доказано в 1885 году, когда американский фермер Уилсон Бентли сделал первый удачный снимок снежинки под микроскопом. Он посвятил этому 46 лет и сделал более 5000 фотографий, на основе которых и была подтверждена теория.
Слышали когда-нибудь фразу «эта снежинка - особенная», мол, потому что их обычно много и все они прекрасны, уникальны и завораживают, если присмотреться. Старая мудрость гласит, что не бывает двух одинаковых снежинок, но правда ли это на самом деле? Как вообще об этом заявлять, не просмотрев все падающие и упавшие снежинки? Вдруг снежинка где-нибудь в Москве ничем не отличается от снежинки где-нибудь в Альпах.
Чтобы рассмотреть этот вопрос с научной точки зрения, нам нужно знать, как снежинка рождается и какова вероятность (или невероятность), что родятся две одинаковых.
Снежинка, снятая при помощи обычного оптического микроскопа
Снежинка, по своей сути, это всего лишь молекулы воды, которые связываются между собой в определенной твердой конфигурации. Большинство этих конфигураций имеют некоторый вид гексагональной симметрии; это связано с тем, как молекулы воды с их определенными валентными углами - которые определяются физикой атома кислорода, двух атомов водорода и электромагнитной силой - могут связываться между собой. Простейший микроскопический кристаллик снега, который можно рассмотреть под микроскопом, по размерам составляет одну миллионную часть метра (1 мкм) и может быть очень простой формы, например, шестиугольной кристаллической пластинки. Его ширина примерно 10 000 атомов, и подобных ему очень много.
По данным Книги рекордов Гиннесса, Нэнси Найт из Национального центра атмосферных исследований, по счастливой случайности обнаружила две идентичных снежинки, изучая кристаллы снега во время снежной бури в Висконсине, взяв с собой микроскоп. Но когда представители сертифицируют две снежинки как идентичные, они могут подразумевать лишь то, что снежинки идентичны для точности микроскопа; когда физика требует, чтобы две вещи были идентичны, они должны быть идентичны с точностью до субатомной частицы. А значит:
- вам нужны такие же частицы,
- в таких же конфигурациях,
- с такими же связями между собой
- в двух совершенно разных макроскопических системах.
Давайте посмотрим, как это можно устроить.
Одна молекула воды - это один атом кислорода и два атома водорода, связанные между собой. Когда замороженные молекулы воды связываются между собой, каждая молекула получает поблизости четыре других привязанных молекулы: по одной на каждой из тетраэдрических вершин над каждой отдельной молекуле. Это приводит к тому, что молекулы воды складываются в форму решетки: шестиугольную (или гексагональную) кристаллическую решетку. Но большие «кубики» льда, как в отложения кварца, чрезвычайно редкие. Когда вы заглядываете в мельчайшие масштабы и конфигурации, вы находите, что верхние и нижние плоскости этой решетки упакованы и связаны очень плотно: вы имеете «плоские грани» на двух сторонах. Молекулы на оставшихся сторонах более открыты, и дополнительные молекулы воды связываются с ними более произвольно. В частности, шестигранные углы имеют самые слабые связи, поэтому мы наблюдаем шестикратную симметрию в росте кристаллов.
и рост снежинки, частной конфигурации кристалла льда
Новые структуры затем растут по таким же симметричным схемам, наращивая гексагональные асимметрии по достижении определенного размера. В больших сложных кристаллах снега сотни легко различимых особенностей, если смотреть под микроскопом. Сотни особенностей среди примерно 10 19 молекул воды, из которых состоит обычная снежинка, если верить Чарльзу Найту из Национального центра атмосферных исследований. На каждую из таких функций есть миллионы возможных мест, где могут образоваться новые веточки. Сколько же может образовать таких новых особенностей снежинка и при этом не стать очередной из многих?
Каждый год во всем мире падает примерно 10 15 (квадриллион) кубометров снега на землю, и в каждом кубометре содержится порядка нескольких миллиардов (10 9) отдельных снежинок. Поскольку Земля существует около 4,5 миллиардов лет, за всю историю на планету упало 10 34 снежинок. И знаете, сколько с точки зрения статистики отдельных, уникальных, симметричных ветвящихся особенностей могла иметь снежинка и ожидать двойника в определенный момент истории Земли? Всего пять. Тогда как у настоящих, больших, природных снежинок их обычно сотни.
Даже на уровне одного миллиметра в снежинке можно рассмотреть несовершенства, которые сложно продублировать
И только на самом приземленном уровне можно ошибочно разглядеть две одинаковых снежинки. И если вы готовы спуститься на молекулярный уровень, ситуация станет гораздо хуже. Обычно в кислороде 8 протонов и 8 нейтронов, а в атоме водорода 1 протон и 0 нейтронов. Но 1 из 500 атомов кислорода имеет 10 нейтронов, в 1 из 5000 атомов водорода имеет 1 нейтрон, а не 0. Даже если вы образуете идеальные шестиугольные кристаллы снега, и за всю историю планеты Земля насчитали 10 34 кристаллов снега, достаточно будет опуститься до размеров нескольких тысяч молекул (меньше длины видимого света), чтобы найти уникальную структуру, которую планета никогда не видела прежде.
Но если проигнорировать атомные и молекулярные различия и отказаться от «природного», у вас будет шанс. Исследователь снежинок Кеннет Либбрехт из Калифорнийского технологического института разработал методику для создания искусственных «идентичных близнецов» снежинок и фотографирует их с помощью специального микроскопа под названием SnowMaster 9000.
Выращивая их бок о бок в лабораторных условиях, он показал, что можно создать две снежинки, которые будут неразличимы.
Две практически идентичных снежинки, выращенные в лаборатории Калтеха
Ну, почти. Они будут неразличимы человеку, которые смотрит своими глазами через микроскоп, но они не будут идентичны по правде. Как и идентичные близнецы, они будут иметь много различий: у них будут разные места связки молекул, разные свойства ветвления, и чем они больше, тем сильнее эти различия. Вот почему эти снежинки очень маленькие, а микроскоп мощный: они более похожи, когда менее сложны.
Две почти идентичных снежинки, выращенные в лаборатории в Калтехе
Тем не менее многие снежинки похожи одна на другую. Но если вы ищете действительно идентичные снежинки на структурном, молекулярном или атомном уровне, природа никогда вам этого не преподнесет. Такое число возможностей велико не только для истории Земли, но и для истории Вселенной. Если вы хотите знать, сколько вам нужно планет, чтобы заполучить две идентичные снежинки за 13,8 миллиардов лет истории Вселенной, ответ будет порядка 10 100000000000000000000000 . Учитывая, что в наблюдаемой Вселенной всего 10 80 атомов, это крайне маловероятно. Так что да, снежинки действительно уникальны. И это мягко говоря.