Загадки снігових пластівців

Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.

Що таке сніг? Чи не смішне питання? Однак сніжинки ставили в глухий кут таких видатних вчених, як астроном Йоганнес Кеплер, філософ і математик Рене Декарт. Їм було відомо, що снігові пластівці утворюються у два етапи: формується кристал і потім він росте.

Але перетворення кристалу льоду на сніжинку настільки складний процес, що сучасна математика тільки почала вирішувати цю головоломку. Водяні крапельки виділяють тепло при замерзанні. Щоб розсіювати теплоту, вважає фізик Джеймс Ленгер з Інституту теоретичної фізики в американському місті Санта-Барбара, кристал, що зароджується, збільшує крихітні опуклості на своїй поверхні, утворюючи гілки стрілки — «ялинки». Потім кристал росте зі швидкістю та у напрямках, що визначаються навколишньою температурою та вологістю. Коли він зустрічає зміну в повітрі, кристал, що падає, росте вже з іншою швидкістю і з новими формами. Ленгер розрахував форми, які утворюють хитромудрий візерунок сніжинок. Коли він пропустив свої рівняння через комп’ютер, на екрані з’явилися контури сніжинок.

Його теорія може пояснити народну мудрість: немає двох однакових сніжинок. Оскільки кожна з шести гілок, сформованих на початкових стадіях росту, зустрічає фактично ті ж стани повітря (бо сніжинка мала), вона може бути напрочуд симетричною. Але оскільки навряд чи дві сніжинки пройдуть одним і тим же шляхом до землі, кожна дійсно має бути унікальною.

Ці уявлення мають причетність до області, начебто, зовсім неспорідненої — металургії. Коли сплав охолоджується і переходить із рідкого стану у твердий, він викидає стрілки. Їхня форма і темп зростання впливають на міцність сплаву. Таким чином, модель сніжинки Ленгера може також допомогти у передбаченні міцності виливків.