|
Почему у снежинок шестилучевая симметрия
|
Снежинка выглядит так, будто ее форма сложилась случайно: у одной лучи длиннее, у другой короче, третья вообще срослась с соседней. Но за этим разнообразием стоит строгая геометрия кристалла. Научное объяснение шестилучевой симметрии начинается с одной молекулы и ее связей с соседями.
Решетка, в которой все решают водородные связи
Молекула воды полярна. Атом кислорода тянет на себя электроны сильнее, чем два атома водорода, поэтому у молекулы появляется частичный отрицательный заряд на кислороде и частичный положительный на водородах. В кристалле льда каждая молекула образует четыре водородные связи с соседями. Кислород одной молекулы притягивается к водородам двух других, а ее собственные водороды — к кислородам еще двух.
Такая координация укладывает молекулы в вершины тетраэдра. Углы между связями близки к 109 градусам. Когда тетраэдры соединяются, они образуют гофрированные шестичленные кольца. Именно шестиугольник становится базовым мотивом всей решетки. Кристаллографы называют эту форму льдом Ih — гексагональным льдом. Форма устойчива при обычном атмосферном давлении и температуре ниже нуля.
Почему лучи расходятся под углом 60 градусов
Кристалл растет из водяного пара. Молекулы оседают на поверхности зародыша кристалла и встраиваются в решетку. На шестиугольной призме есть базовая грань и боковые грани. Вдоль главной оси кристалл растет медленнее, чем в плоскости базовой грани. Поэтому из призмы получается тонкая пластинка.
Углы между соседними боковыми гранями составляют 120 градусов. Когда на вершинах начинают расти ветви, они расходятся под углом 60 градусов друг к другу. Шесть вершин находятся в одинаковых условиях, получают одинаковое количество пара и растут с одной скоростью. Так возникает шестилучевая звезда.
Физик Кеннет Либбрехт объясняет: «Типичный звездчатый снежный кристалл начинается как крошечная шестиугольная призма. Шестилучевая симметрия происходит от симметрии кристаллической решетки льда. Поскольку шесть углов призмы выступают во влажный воздух, углы растут быстрее, и в конце концов появляются шесть ветвей».
Температура меняет форму, но не симметрию
В 1930-х годах японский физик Укичиро Накая вырастил снежные кристаллы в холодной лаборатории и построил диаграмму, которая связывает форму с условиями. При температуре около −2 °C растут тонкие пластинки. При −5 °C — вытянутые столбики. При −15 °C — крупные звездчатые дендриты с боковыми ветвями. Чем выше влажность, тем сложнее и ветвистее получается кристалл.
Симметрия при этом сохраняется. Все шесть лучей проходят через одни и те же слои облака и встречают одинаковую температуру и влажность. Поэтому они растут синхронно, даже если форма меняется от пластинки к звезде.
Идеальная схема и реальные снежинки
В лаборатории можно вырастить почти правильный шестилучевой кристалл. В природе снежинка редко идет по идеальному пути. Турбулентность, конвекция и разная скорость осаждения заставляют лучи получать неодинаковое количество пара. Тогда симметрия нарушается.
В 2026 году физики продемонстрировали, что гравитация и конвекция делают форму снежинок сложной и несимметричной. В условиях микрогравитации кристаллы растут равномернее. В природе встречаются треугольные кристаллы, двенадцатилучевые звезды и полностью асимметричные обломки. Шестиугольная решетка остается основой, но внешний вид зависит от пути через облако.
Идеальная на 100% симметрия возможна только в лабораторных условиях. Ученые выяснили, что конвекция и гравитация нарушают равномерный рост кристалла.
