Προς μια Μεγάλη Ενοποιημένη Θεωρία των Νιφάδων Χιονιού

Ο Kenneth Libbrecht είναι εκείνο το σπάνιο άτομο που, στη μέση του χειμώνα, φεύγει με χαρά από τη Νότια Καλιφόρνια για ένα μέρος όπως το Fairbanks, στην Αλάσκα, όπου οι θερμοκρασίες το χειμώνα σπάνια ανεβαίνουν πάνω από το μηδέν. Εκεί, φοράει ένα πάρκο και κάθεται σε ένα χωράφι με μια κάμερα και ένα κομμάτι αφρώδους πίνακα, περιμένοντας το χιόνι.

Συγκεκριμένα, αναζητά τους πιο αστραφτερούς, αιχμηρούς, πιο όμορφους κρυστάλλους χιονιού που μπορεί να παράγει η φύση. Οι ανώτερες νιφάδες τείνουν να σχηματίζονται στα πιο ψυχρά μέρη, όπως λέει το Fairbanks και τα χιονισμένα βόρεια της Νέας Υόρκης. Το καλύτερο χιόνι που βρήκε ποτέ ήταν στο Cochrane, στο απομακρυσμένο βορειοανατολικό Οντάριο, όπου φυσάει λίγος άνεμος για να χτυπήσει τις νιφάδες χιονιού καθώς πέφτουν στον ουρανό.

Βυθισμένος στα στοιχεία, ο Λίμπρεχτ σαρώνει τον πίνακα του με την υπομονή ενός αρχαιολόγου, αναζητώντας τέλειες νιφάδες χιονιού και άλλους κρυστάλλους χιονιού. «Αν υπάρχει ένα πολύ ωραίο εκεί, το μάτι σου θα το βρει», είπε. "Εάν όχι, απλώς το απομακρύνεις και το κάνεις για ώρες."

Ο Λίμπρεχτ είναι φυσικός. Το εργαστήριό του στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνια έχει ερευνήσει την εσωτερική δομή του ήλιου και έχει αναπτύξει προηγμένα όργανα για την ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων. Αλλά εδώ και 20 χρόνια, το πάθος του Λίμπρεχτ ήταν το χιόνι – όχι μόνο η εμφάνισή του, αλλά και αυτό που το κάνει να φαίνεται όπως φαίνεται. «Είναι λίγο ντροπιαστικό όταν πέφτουν πράγματα από τον ουρανό, και είναι σαν, "Γιατί φαίνεται έτσι;" Με χτυπάει», είπε.

Για 75 χρόνια, οι φυσικοί γνώριζαν ότι οι μικροσκοπικοί κρύσταλλοι στο χιόνι ταιριάζουν σε δύο επικρατέστερους τύπους. Το ένα είναι το εμβληματικό επίπεδο αστέρι, με έξι ή 12 πόντους, το καθένα διακοσμημένο με ασορτί κλαδιά δαντέλας σε μια ιλιγγιώδη ποικιλία δυνατοτήτων. Η άλλη είναι μια στήλη, που άλλοτε στριμώχνεται από επίπεδα καπάκια και άλλοτε μοιάζει με μπουλόνι από κατάστημα σιδηρικών. Αυτά τα διαφορετικά σχήματα εμφανίζονται σε διαφορετικές θερμοκρασίες και υγρασία, αλλά ο λόγος για αυτό ήταν ένα μυστήριο.

Με τα χρόνια, οι επίπονες παρατηρήσεις του Λίμπρεχτ έχουν δώσει πληροφορίες για τη διαδικασία κρυστάλλωσης του χιονιού. "Είναι σίγουρα ο πάπας στον τομέα", είπε ο Gilles Demange, επιστήμονας υλικών στο Πανεπιστήμιο της Ρουέν στη Γαλλία, ο οποίος μελετά επίσης τους κρυστάλλους χιονιού.

Τώρα, το έργο του Libbrecht για το χιόνι έχει αποκρυσταλλωθεί σε ένα νέο μοντέλο που προσπαθεί να εξηγήσει γιατί οι νιφάδες χιονιού και άλλοι κρύσταλλοι χιονιού σχηματίζονται με τον τρόπο που σχηματίζονται. Το μοντέλο του, που περιγράφεται λεπτομερώς σε ένα έγγραφο που δημοσίευσε στο Διαδίκτυο τον Οκτώβριο, περιγράφει τον χορό των μορίων του νερού κοντά στο σημείο πήξης και πώς οι ιδιαίτερες κινήσεις αυτών των μορίων μπορεί να εξηγούν το πλήθος των κρυστάλλων που σχηματίζονται κάτω από διαφορετικές συνθήκες. Σε μια ξεχωριστή μονογραφία 540 σελίδων, ο Libbrecht περιγράφει το σύνολο των γνώσεων σχετικά με τους κρυστάλλους του χιονιού. Ο Douglas Natelson, ένας φυσικός συμπυκνωμένης ύλης στο Πανεπιστήμιο Rice, ονόμασε τη νέα μονογραφία "a tour de force".

"Ως δουλειά", είπε ο Natelson, "αγόρι μου, είναι υπέροχο."

Six-Cornered Starlets

Όλοι γνωρίζουν ότι δεν υπάρχουν δύο νιφάδες χιονιού όμοιες, γεγονός που πηγάζει από τον τρόπο που οι κρύσταλλοι μαγειρεύονται στον ουρανό. Το χιόνι είναι ένα σύμπλεγμα κρυστάλλων πάγου που σχηματίζονται στην ατμόσφαιρα και διατηρούν το σχήμα τους καθώς πέφτουν συλλογικά στη Γη. Σχηματίζονται όταν η ατμόσφαιρα είναι αρκετά κρύα ώστε να αποφευχθεί η σύντηξη ή η τήξη τους και η χιονόπτωση ή η βροχή.

Παρόλο που ένα σύννεφο περιέχει πολλές θερμοκρασίες και επίπεδα υγρασίας, αυτές οι μεταβλητές είναι τόσο καλές όσο σταθερές σε μια μεμονωμένη νιφάδα χιονιού. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο η ανάπτυξη της νιφάδας χιονιού είναι συχνά συμμετρική. Από την άλλη πλευρά, κάθε νιφάδα χιονιού πλήττεται από μεταβαλλόμενους ανέμους, το φως του ήλιου και άλλες μεταβλητές, σημειώνει η Mary Jane Shultz, χημικός στο Πανεπιστήμιο Tufts που δημοσίευσε ένα πρόσφατο δοκίμιο για τη φυσική των νιφάδων χιονιού. Καθώς κάθε κρύσταλλος υποβάλλεται στο χάος ενός σύννεφου, όλοι παίρνουν ελαφρώς διαφορετικές μορφές, εξηγεί.

Οι αρχαιότερες καταγεγραμμένες μελέτες σε αυτά τα ευαίσθητα σχήματα χρονολογούνται στο 135 π.Χ. στην Κίνα, σύμφωνα με την έρευνα του Libbrecht. «Τα λουλούδια των φυτών και των δέντρων είναι γενικά πεντάκτινα, αλλά αυτά του χιονιού, που ονομάζονται ying, είναι πάντα εξάκτινα», έγραψε ο μελετητής Han Yin. Αλλά ο πρώτος επιστήμονας που προσπάθησε να καταλάβει γιατί συμβαίνει αυτό ήταν πιθανώς ο Johannes Kepler, ο Γερμανός επιστήμονας και πολυμαθής.

Το 1611, ο Κέπλερ πρόσφερε ένα πρωτοχρονιάτικο δώρο στον προστάτη του, τον αυτοκράτορα της Αγίας Ρωμαϊκής Αυτοκρατορίας Ρούντολφο Β΄:ένα δοκίμιο με τίτλο «Η νιφάδα χιονιού με έξι γωνίες». Ο Κέπλερ γράφει ότι παρατήρησε μια νιφάδα χιονιού στο πέτο του καθώς διέσχιζε τη Γέφυρα του Καρόλου της Πράγας και δεν μπορούσε παρά να μελετήσει τη γεωμετρία της. «Πρέπει να υπάρχει μια αιτία που το χιόνι έχει το σχήμα εξάγωνης σταρλέτας. Δεν μπορεί να είναι τύχη», έγραψε.

Θα θυμόταν ένα γράμμα από τον σύγχρονο Τόμας Χάριοτ, έναν Άγγλο επιστήμονα και αστρονόμο που, μεταξύ πολλών ρόλων, υπηρέτησε ως πλοηγός για τον εξερευνητή Σερ Γουόλτερ Ράλεϊ. Γύρω στο 1584, ο Χάριοτ αναζήτησε τον πιο αποτελεσματικό τρόπο να στοιβάζει οβίδες στα καταστρώματα των πλοίων του Ράλι. Τα εξαγωνικά μοτίβα φαινόταν ο καλύτερος τρόπος για να συσκευάζονται σφαίρες στενά μεταξύ τους, διαπίστωσε ο Χάριοτ και ανταποκρίθηκε σχετικά με τον Κέπλερ. Ο Κέπλερ αναρωτήθηκε αν κάτι παρόμοιο συνέβαινε στις νιφάδες χιονιού και αν οι έξι πλευρές τους μπορούσαν να καρφωθούν στη διάταξη της «μικρότερης φυσικής μονάδας ενός υγρού όπως το νερό».

Ήταν μια αξιοσημείωτη πρώιμη εικόνα της ατομικής φυσικής, που δεν θα επισημοποιούνταν για άλλα 300 χρόνια. Πράγματι, τα μόρια του νερού, με τα δύο υδρογόνα και το ένα οξυγόνο τους, τείνουν να μπλοκάρουν μεταξύ τους για να σχηματίσουν εξαγωνικές συστοιχίες. Ο Κέπλερ και οι σύγχρονοί του δεν μπορούσαν να γνωρίζουν πόσο σημαντικό είναι αυτό. «Λόγω του δεσμού υδρογόνου και των λεπτομερειών για το πώς τα μόρια αλληλεπιδρούν μεταξύ τους, έχετε αυτή τη συγκριτικά ανοιχτή κρυσταλλική δομή», είπε ο Natelson. Εκτός από το ότι βοηθά στην ανάπτυξη νιφάδων χιονιού, αυτή η εξαγωνική δομή κάνει τον πάγο λιγότερο πυκνό από το υγρό νερό, κάτι που επηρεάζει σε μεγάλο βαθμό τη γεωχημεία, τη γεωφυσική και το κλίμα. Σύμφωνα με τον Natelson, αν ο πάγος δεν επέπλεε, «η ζωή στη Γη δεν θα ήταν δυνατή».

Μετά την πραγματεία του Κέπλερ, η παρατήρηση νιφάδων χιονιού παρέμεινε ένα χόμπι περισσότερο από μια επιστήμη. Στη δεκαετία του 1880, ένας Αμερικανός φωτογράφος ονόματι Wilson Bentley — από το κρύο, ποιοτικό χιόνι χωριό Jericho του Βερμόντ — άρχισε να κάνει τις πρώτες εικόνες από κρύσταλλο χιονιού χρησιμοποιώντας φωτογραφικές πλάκες. Δημιούργησε περισσότερες από 5.000 εικόνες πριν τελικά υποκύψει στην πνευμονία.

Στη συνέχεια, στη δεκαετία του 1930, ο Ιάπωνας ερευνητής Ukichiro Nakaya ξεκίνησε μια συστηματική μελέτη των διαφορετικών τύπων κρυστάλλων χιονιού. Μέχρι τα μέσα του αιώνα, ο Nakaya παρήγαγε νιφάδες χιονιού σε ένα εργαστήριο, χρησιμοποιώντας μεμονωμένες τρίχες κουνελιού για να αιωρήσει κρυστάλλους παγετού στον ψυχρό αέρα όπου μπορούσαν να αναπτυχθούν σε πλήρεις νιφάδες χιονιού. Ασχολήθηκε με τις ρυθμίσεις υγρασίας και θερμοκρασίας για να αναπτύξει τους δύο κύριους τύπους κρυστάλλων και συγκέντρωσε τον πρωταρχικό του κατάλογο με πιθανά σχήματα. Ο Nakaya διαπίστωσε ότι τα αστέρια τείνουν να σχηματίζονται στους -2 βαθμούς Κελσίου και στους -15 C. Οι στήλες σχηματίζονται στους -5 C και πάλι στους -30 C περίπου. Σε χαμηλή υγρασία, τα αστέρια σχηματίζουν λίγα κλαδιά και μοιάζουν με εξαγωνικές πλάκες, αλλά σε υψηλή υγρασία, τα αστέρια γίνονται πιο περίπλοκα, δαντελωτά σχέδια.

Σύμφωνα με τον Libbrecht, ο λόγος για τα διάφορα σχήματα κρυστάλλου άρχισε επίσης να έρχεται στο επίκεντρο μετά την πρωτοποριακή δουλειά του Nakaya. Οι κρύσταλλοι μεγαλώνουν σε επίπεδα αστέρια και πλάκες (και όχι τρισδιάστατες δομές) όταν οι άκρες αναπτύσσονται γρήγορα προς τα έξω ενώ οι όψεις μεγαλώνουν αργά προς τα πάνω. Οι λεπτές στήλες μεγαλώνουν με διαφορετικό τρόπο, με ταχέως αναπτυσσόμενα πρόσωπα και πιο αργά αναπτυσσόμενες άκρες.

Αλλά οι υποκείμενες ατομικές διεργασίες που υπαγορεύουν αν οι κρύσταλλοι του χιονιού θα διαμορφωθούν σαν αστέρια ή στήλες παρέμειναν αδιαφανείς. «Τι αλλάζει με τη θερμοκρασία;» είπε ο Λίμπρεχτ. "Προσπάθησα να τα συνδυάσω όλα αυτά."

Συνταγή για νιφάδες χιονιού

Ο Λίμπρεχτ και το πολύ μικρό σύνολο ερευνητών που μελετούν αυτό το πρόβλημα προσπάθησαν να βρουν μια συνταγή για νιφάδες χιονιού, σαν να λέγαμε - ένα σύνολο εξισώσεων και παραμέτρων που μπορούν να τροφοδοτηθούν σε έναν υπερυπολογιστή που στη συνέχεια θα έφτυνε την υπέροχη ποικιλία νιφάδων χιονιού πραγματικά βλέπουμε.

Ο Λίμπρεχτ ξεκίνησε την επιδίωξη πριν από δύο δεκαετίες αφού έμαθε για την εξωτική μορφή νιφάδας χιονιού που ονομάζεται καλυμμένη στήλη. Μοιάζει με ένα άδειο καρούλι, ή με δύο τροχούς και έναν άξονα. Ως ντόπιος στη Βόρεια Ντακότα, σοκαρίστηκε, αναρωτήθηκε:«Πώς δεν είχα δει ποτέ ένα από αυτά;» Γοητευμένος με τις ατελείωτες μορφές του χιονιού, άρχισε να κατανοεί τη φύση τους για ένα δημοφιλές επιστημονικό βιβλίο που δημοσίευσε αργότερα, και άρχισε να βγάζει και φωτογραφίες. Σύντομα, εργαζόταν με εξοπλισμό καλλιέργειας νιφάδων χιονιού στο εργαστήριό του. Το νέο του μοντέλο είναι το αποτέλεσμα παρατηρήσεων που έγιναν εδώ και δεκαετίες, οι οποίες, όπως λέει, πρόσφατα άρχισαν να γίνονται γέλη.

Η βασική του ανακάλυψη ήταν μια ιδέα που ονομάζεται επιφανειακή ενέργεια-οδηγούμενη μοριακή διάχυση, η οποία περιγράφει πώς η ανάπτυξη ενός κρυστάλλου χιονιού εξαρτάται από τις αρχικές συνθήκες και τη συμπεριφορά των μορίων που τον σχηματίζουν.

Φανταστείτε τα μόρια του νερού να είναι διατεταγμένα χαλαρά, καθώς οι υδρατμοί μόλις αρχίζουν να παγώνουν. Αν με κάποιο τρόπο το έβλεπες αυτό από ένα μικροσκοπικό παρατηρητήριο, θα έβλεπες τα μόρια του παγωμένου νερού να αρχίζουν να σχηματίζουν ένα άκαμπτο πλέγμα, με κάθε άτομο οξυγόνου να περιβάλλεται από τέσσερα άτομα υδρογόνου. Αυτοί οι κρύσταλλοι αναπτύσσονται ενσωματώνοντας μόρια νερού από τον περιβάλλοντα αέρα στο μοτίβο τους. Μπορούν να αναπτυχθούν σε δύο κύριες κατευθύνσεις:προς τα πάνω ή προς τα έξω.

Ένας λεπτός, επίπεδος κρύσταλλος (είτε σαν πλάκα είτε σαν αστεροειδής) σχηματίζεται όταν οι άκρες σχοινί σε υλικό πιο γρήγορα από τις δύο όψεις του κρυστάλλου. Ο αναδυόμενος κρύσταλλος θα απλωθεί προς τα έξω. Ωστόσο, όταν οι όψεις του μεγαλώνουν πιο γρήγορα από τις άκρες του, ο κρύσταλλος ψηλώνει, σχηματίζοντας μια βελόνα, μια κοίλη στήλη ή μια ράβδο.

Σύμφωνα με το μοντέλο του Libbrecht, οι υδρατμοί κατακάθονται πρώτα στις γωνίες του κρυστάλλου και μετά διαχέονται στην επιφάνεια είτε στην άκρη του κρυστάλλου είτε στις όψεις του, προκαλώντας την ανάπτυξη του κρυστάλλου προς τα έξω ή προς τα πάνω, αντίστοιχα. Ποια από αυτές τις διεργασίες κερδίζει καθώς αλληλεπιδρούν διάφορα επιφανειακά φαινόμενα και αστάθειες εξαρτάται κυρίως από τη θερμοκρασία.

Όλα αυτά συμβαίνουν μόνο στον πάγο, ένα ασυνήθιστο ορυκτό, εξαιτίας ενός φαινομένου που ονομάζεται «προ-τήξη». Επειδή ο πάγος του νερού βρίσκεται συνήθως κοντά στο σημείο τήξης του, τα κορυφαία στρώματα είναι σαν υγρά και διαταραγμένα. Η προ-τήξη εμφανίζεται διαφορετικά στις όψεις και τις άκρες ως συνάρτηση της θερμοκρασίας, αν και οι λεπτομέρειες αυτού δεν είναι πλήρως κατανοητές. "Αυτό είναι το μέρος του μοντέλου όπου το φτιάχνω από ολόκληρο ύφασμα", είπε ο Libbrecht — αν και λέει ότι η συνολική φυσική εικόνα φαίνεται εύλογη.

Το νέο του μοντέλο είναι «ημι-εμπειρικό», εν μέρει συντονισμένο για να ταιριάζει με τις παρατηρήσεις αντί να εξηγεί την ανάπτυξη της νιφάδας χιονιού ξεκινώντας εξ ολοκλήρου από τις πρώτες αρχές. Οι αστάθειες και οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ αμέτρητων μορίων είναι πολύ περίπλοκες για να ξεδιαλυθούν εντελώς. Ελπίζει όμως ότι οι ιδέες του θα αποτελέσουν το θεμέλιο ενός ολοκληρωμένου μοντέλου δυναμικής ανάπτυξης πάγου που μπορεί να διαμορφωθεί με πιο λεπτομερείς μετρήσεις και πειράματα.

Αν και ο πάγος είναι ιδιαίτερα περίεργος, παρόμοια ερωτήματα προκύπτουν στη φυσική της συμπυκνωμένης ύλης γενικότερα. Μόρια φαρμάκων, τσιπ ημιαγωγών για υπολογιστές, ηλιακά κύτταρα και αμέτρητες άλλες εφαρμογές βασίζονται σε κρυστάλλους υψηλής ποιότητας και ολόκληρες ομάδες ερευνητών επικεντρώνονται στα βασικά της ανάπτυξης κρυστάλλων.

Ο Meenesh Singh είναι ένας τέτοιος ερευνητής, στο Πανεπιστήμιο του Ιλινόις, στο Σικάγο. Σε μια πρόσφατη εργασία, ο Singh και ένας συν-συγγραφέας εντόπισαν έναν νέο μηχανισμό που θα μπορούσε να βασίζεται στην ανάπτυξη κρυστάλλων σε διαλύτες, σε αντίθεση με την κρυστάλλωση αλλαγής φάσης του χιονιού και του πάγου του Libbrecht. Στην κρυστάλλωση με διαλύτη, τα στερεά υλικά διαλύονται σε διάλυμα όπως νερό ή άλλο υγρό. Ρυθμίζοντας τη θερμοκρασία και προσθέτοντας άλλους διαλύτες, οι κατασκευαστές μπορούν να κρυσταλλώσουν νέα μόρια φαρμάκων ή να παράγουν νέους κρυστάλλους για ηλιακά κύτταρα κ.λπ.

«Όλες οι εφαρμογές σχετικά με την ανάπτυξη κρυστάλλων αντιμετωπίζονται εμπειρικά», είπε ο Singh. "Έχετε ορισμένα εμπειρικά δεδομένα και χρησιμοποιώντας αυτές τις πληροφορίες, προσπαθείτε να εξηγήσετε πώς θα αναπτυχθεί ένας κρύσταλλος." Αλλά δεν είναι σαφές, είπε, πώς ένα μόριο στο διάλυμα ενσωματώνεται σε έναν κρύσταλλο. «Τι πραγματικά οδηγεί ένα μόριο να το κάνει αυτό; Γιατί να πάω σε ένα κρύσταλλο; Αν αρχίσετε να αναρωτιέστε, δημιουργεί πολλές ερωτήσεις και αυτές οι ερωτήσεις δεν απαντώνται.”

Ο Libbrecht πιστεύει ότι καλύτερα πειράματα και πιο εξελιγμένες προσομοιώσεις υπολογιστή θα απαντήσουν σε πολλά ερωτήματα σχετικά με την ανάπτυξη των κρυστάλλων τα επόμενα χρόνια. "Κάποια μέρα, θα είστε σε θέση να φτιάξετε ένα ολόκληρο μοριακό μοντέλο μέχρι το άτομο και να δείτε αυτά τα φαινόμενα να συμβαίνουν, μέχρι την κβαντομηχανική", είπε.

Ενώ προσπαθεί να ξετυλίξει τη φυσική, εξακολουθεί να απολαμβάνει τη φωτογραφία με κρύσταλλο χιονιού και τα ταξίδια που συνοδεύουν. Αλλά πρόσφατα, έμεινε στην ηλιόλουστη Νότια Καλιφόρνια, όπου έχει δημιουργήσει ένα εξελιγμένο σύστημα για την καλλιέργεια νιφάδων χιονιού στο εργαστήριό του. Στα 61 του, πλησιάζει στη σύνταξη, που σημαίνει, είπε, «Πετάω τα δεσμά των άλλων μου δουλειών. Απλώς πρόκειται να κάνω πάγο από εδώ και πέρα."

Αυτό το άρθρο ανατυπώθηκε στις  Wired.com .