Két hópelyhe tökéletesen megegyezhet (9 fotó)
Ha ezt a kérdést tudományos szempontból megvizsgáljuk, tudnunk kell, hogyan születik hópehely, és mi a valószínűsége (vagy valószínűtlensége), hogy két azonos is születik.
Hópehely egy hagyományos optikai mikroszkóppal
A hópehely jellegénél fogva csak egy molekula víz, amely egy bizonyos szilárd konfigurációhoz kötődik. Ezeknek a konfigurációknak többsége hatszög alakú szimmetriát mutat; ennek oka, hogy milyen a víz molekuláinak a specifikus vegyértékei szögek - meghatározott fizika oxigénatom, két hidrogénatom, és az elektromágneses erő - össze lehet kapcsolni. A legegyszerűbb mikroszkopikus kristály hó látható mikroszkóp alatt, a mérete egy milliomod egy méter (1 mikron), és lehet nagyon egyszerű alakú, mint például egy hexagonális lemezszerű kristályok formájában. Szélessége körülbelül 10 000 atom, és sok hasonló is létezik.
Szerint a Guinness Rekordok Könyvébe, Nancy Knight a National Center for Atmospheric Research, serendipitously felfedezett két azonos hópelyhek, tanul hókristályok közben hóvihar Wisconsin, vesz egy mikroszkóp. De amikor a képviselők két hófehérjét ugyanolyan módon igazolják, akkor csak azt jelenthetik, hogy a hópelyhek azonosak a mikroszkóp pontossága szempontjából; ha a fizika megköveteli, hogy a két dolog azonos legyen, azonosnak kell lennie egy subatomikus részecske alakjával. Tehát ez azt jelenti:
- ugyanazokra a részecskékre van szükséged,
- ugyanabban a konfigurációban,
- ugyanazokkal a kapcsolatokkal egymás között
- két teljesen más makroszkopikus rendszerben.
Lássuk, hogyan lehet elrendezni.
Egy molekula víz egy oxigénatom és két hidrogénatom összekapcsolódik. Ha a fagyasztott vízmolekulák kapcsolódnak egymáshoz, akkor minden egyes molekula közel négy másik tethered molekulát kap: egy az egyes molekulák feletti tetraéderes csúcsok mindegyikén. Ez azzal a ténnyel jár, hogy a vízmolekulákat hozzáadjuk a rácsos alakhoz: hatszögletű (vagy hexagonális) kristályrács. De a nagy "kockák" a jég, mint a betétek a kvarc, rendkívül ritka. A legkisebb skálákra és konfigurációkra való tekintettel megállapítja, hogy a rács felső és alsó síkja tele van és szorosan összekapcsolódik: mindkét oldalon "lapos arcok" vannak. A fennmaradó oldalakon lévő molekulák nyitottabbak, és további vízmolekulák önkényesebben kapcsolódnak hozzájuk. Különösen a hatszögletű szögek vannak a leggyengébb láncszemek, így a kristályok növekedésében hatszoros szimmetriát figyeljünk meg.
Hópehely kialakulása és növekedése, egy jégkristály különleges kialakítása
Az új struktúrák ugyanazon szimmetrikus sémák szerint növekszenek, növelve a hatszögletű aszimmetriákat egy bizonyos méret elérése után. Nagy összetett hó-kristályok, több száz könnyen megkülönböztethető tulajdonság, ha mikroszkóp alatt néznek. Az Atlanti-óceániai Légkörkutató Központja Charles Knight szerint több száz jellemző található a mintegy 10 19 vízmolekula között, amelyek rendszeresen hópehelyet alkotnak. Mindegyik funkcióhoz több millió olyan hely van, ahol új gallyak alakulhatnak ki. Mennyire képes egy hópehely ilyen új tulajdonságokat létrehozni, és nem válhat sokan közülük?
A világ minden tájáról körülbelül 10-15 (négyzetmillió) köbméternyi hó esik a földre, és minden köbméter több milliárd (10 9) egyedi hópelyhet tartalmaz. Mivel a Föld körülbelül 4,5 milliárd évvel ezelőtt létezik, 10 34 hópelyhe esett a bolygóra. És tudod, hogy az egyéni, egyedülálló, szimmetrikus elágazó funkciók statisztikája milyen hófehérrel és kettős lehet a Föld történetében egy bizonyos pillanatban? Csak öt. Míg a valódi, nagy, természetes hópelyhekben általában több száz.
A hópehely egy milliméteres szintjén is fontolóra veheti a nehézségeket megismétlő hiányosságokat
És csak a leginkább lefelé mutató szinten, tévesen két azonos hópelymet lát. És ha készen állsz arra, hogy a molekulaszintre menj le, akkor a helyzet sokkal rosszabb lesz. Általában oxigénben 8 proton és 8 neutron van, a hidrogénatom pedig 1 proton és 0 neutron. De az egyik az oxigén atomok 500 10 neutronokat, az egyik a hidrogénatomok 5000 neutron 1, nem 0. Még ha alkotnak tökéletes hexagonális kristályok a hó, és a történelem, a Föld bolygó 10 34 számítani hókristályok lesz elég ahhoz, hogy leszáll a méret több ezer molekulát (kevesebb, mint a látható fény hossza), hogy olyan egyedülálló szerkezetet találjon, amelyet a bolygó még soha nem látott.
De ha figyelmen kívül hagyja az atomi és a molekuláris különbségeket, és elhagyja a "természetes", akkor lesz esélye. Kutató Kenneth Libbrecht hópelyhek a California Institute of Technology kifejlesztett egy technikát, hogy mesterséges „egypetéjű ikrek” hópelyhek és lefényképeztem őket egy speciális mikroszkóp nevű SnowMaster 9000.
A laboratóriumban egymás mellett termesztve azt mutatta, hogy két hófehérjét hozhat létre, amelyek megkülönböztethetetlenek.
Két, majdnem azonos hópelyhek a Caltech laboratóriumában
Hát, majdnem. Nem fognak megkülönböztetni egy olyan személlyel szemben, aki saját szemével mikroszkóppal néz ki, de az igazságban nem azonos. Mint az azonos ikrekkel, sok különbséggel fognak szembenézni: különböző molekulaszakaszok, különböző elágazási tulajdonságok lesznek, és annál nagyobbak, annál erősebbek ezek a különbségek. Éppen ezért ezek a hópelyhek nagyon kicsiek, és a mikroszkóp erőteljes: hasonlóbbak, ha kevésbé összetettek.
Két, majdnem azonos hópelyhek, amelyeket Caltech laboratóriumában neveltek
Mindazonáltal sok hópelyhek hasonlóak egymáshoz. De ha egy igazán azonos hópelyheket keres egy strukturális, molekuláris vagy atomi szinten, akkor a természet soha nem fogja ezt megadni. Ez a számos lehetőség nemcsak a Föld történelmének, hanem az univerzum történelmének is nagyszerű. Ha szeretné tudni, hogy hány bolygó van szüksége, hogy két azonos hópelyhek 13,8 milliárd évvel az univerzum történetében, a válasz körülbelül 10 100000000000000000000000. Tekintettel arra, hogy a megfigyelhető univerzum mindössze 10-80 atom, akkor is rendkívül valószínűtlen. Tehát igen, a hópelyhek tényleg egyedülállóak. És ez enyhén szólva.