Почему не бывает двух одинаковых снежинок — и так ли это на самом деле

Утверждение, что двух одинаковых снежинок не существует, звучит как красивая сказка. Но за ней стоят физика и математика с числами, от которых голова идёт кругом.

Фразу «каждая снежинка уникальна» слышали все, но мало кто задумывался: а кто это проверял? Кто сравнил все снежинки на Земле и убедился, что ни одна пара не совпала? Ответ — никто. Но у учёных есть веские основания считать, что совпадение практически невозможно, — и дело не в вере, а в том, как именно снежинка растёт.

Как рождается снежинка

Всё начинается в облаке, на высоте нескольких километров. Переохлаждённая капля воды (температура ниже нуля, но ещё жидкая) встречает крошечную частицу — пылинку, сажу, пыльцу — и замерзает вокруг неё. Этот ледяной зародыш размером в несколько микрон — затравка будущей снежинки.

Молекулы воды в кристалле льда выстраиваются в шестиугольную решётку — это свойство самой молекулы H₂O и углов между водородными связями.

Именно отсюда шестилучевая симметрия: каждая классическая снежинка имеет шесть лучей или шесть граней, и это не случайность, а следствие геометрии на молекулярном уровне.

Почему форма зависит от погоды

Затравка падает сквозь облако, и по мере падения к ней присоединяются новые молекулы воды. Куда именно сядет следующая молекула и как быстро кристалл будет расти, определяют два параметра: температура и влажность окружающего воздуха.

При температуре около −2 °C вырастают плоские шестиугольные пластинки. При −5 °C — длинные ледяные иглы. При −15 °C — те самые ажурные звёздчатые дендриты с ветвистыми лучами, которые рисуют на новогодних открытках. При −30 °C — снова простые столбики и пластинки.

Эту зависимость формы от температуры первым систематически описал японский физик Укитиро Накайя в 1930-х годах, а его диаграмма до сих пор остаётся основой классификации.

Влажность определяет сложность: чем больше влаги — тем больше молекул присоединяется, тем ветвистее и замысловатее кристалл. В сухом воздухе вырастают простые формы, во влажном — узорчатые.

Путь вниз — и вот почему все разные

Снежинка падает от облака до земли 10–40 минут, пролетая при этом сотни метров или даже километры. За это время она проходит через множество слоёв воздуха с разной температурой и влажностью. Каждый слой на несколько секунд меняет режим роста — и кристалл «записывает» этот путь в свою форму, как дерево записывает годы жизни в кольца ствола.

Два кристалла, чтобы стать одинаковыми, должны пройти абсолютно идентичный путь — через те же слои, при тех же температурах, с той же влажностью, с той же скоростью. Но даже две снежинки, летящие бок о бок в сантиметре друг от друга, попадают в чуть разные микроусловия: одна чуть левее в потоке, другая — чуть правее. Разница в доли градуса — а форма уже отличается.

Математика: почему совпадение невозможно

Типичная снежинка содержит примерно 10¹⁸ молекул воды — это квинтиллион, миллиард миллиардов. Каждая из этих молекул теоретически может занять одну из нескольких позиций в кристаллической решётке.

Число возможных комбинаций — астрономическое, оно превышает количество атомов во Вселенной.

Профессор физики Калифорнийского технологического института Кеннет Либбрехт, посвятивший изучению снежинок более двадцати лет, формулирует это так: вероятность того, что природа случайно создаст две абсолютно идентичные сложные снежинки, настолько мала, что за всю историю снегопадов на Земле этого, скорее всего, не произошло ни разу.

Но подождите — одинаковые снежинки всё-таки нашли

И вот здесь история делает поворот. В 1988 году учёная из Национального центра атмосферных исследований США Нэнси Найт изучала образцы снега, собранные самолётом на высоте около 6 000 метров над Висконсином. Среди тысяч кристаллов она обнаружила два, которые под микроскопом выглядели абсолютно одинаковыми — две толстые шестиугольные пластинки без ветвления.

Находка облетела мировые СМИ, но учёные отнеслись к ней спокойно. Простые формы — пластинки, столбики, иглы — действительно могут быть неотличимы друг от друга при наблюдении в микроскоп, потому что у них слишком мало деталей для уникальности. Это всё равно что сказать «два бильярдных шара одинаковые» — технически да, но сравнивать нужно не шары, а узоры.

Речь в утверждении «двух одинаковых не бывает» идёт именно о сложных звёздчатых снежинках — дендритах с десятками ветвей и сотнями микродеталей. Среди них совпадения не находили никогда.

Почему снежинка симметрична — если условия на лучах разные

Ещё одна загадка, которая долго не давала покоя исследователям: как шесть лучей одной снежинки «договариваются» расти одинаково, если они расположены в разных точках пространства? Ответ — они не договариваются.

Все шесть лучей одного кристалла проходят через одни и те же слои воздуха, потому что снежинка настолько мала (обычно 2–5 миллиметров), что разница условий между концами её лучей ничтожна. По сути, все шесть лучей растут в одинаковой среде — отсюда симметрия внутри одной снежинки и различие между разными.

Что из этого следует

В следующий раз, когда снежинка сядет на рукав, у вас в руках окажется кристалл, который прошёл уникальный путь через атмосферу — и записал его в своей форме. Простые снежинки-пластинки могут быть похожи друг на друга, как близнецы.

Но сложный дендрит с ажурными ветвями — результат стольких переменных, что повторить его не смогли бы даже нарочно. Утверждение «двух одинаковых не бывает» — не сказка и не поэтическое преувеличение, а следствие физики и комбинаторики, умноженных на хаотичность атмосферы.