چرا هر دانه برف شکل منحصر به فردی دارد؟

زمانی که در کودکی مشغول برف بازی بودید، شاید ذهن کنجکاو شما بپرسد که چرا هیچ دو دانه برفی مشابه هم نیستند و شکل یکسانی ندارند. این سوالی است که تقریبا هر کسی در کودکی خود یا حتی در سنین بالاتر که به آن فکر کرده، از خود پرسیده است. با این حال اگر فکر می‌کنید که این سوال برای همیشه بی‌پاسخ مانده، سخت در اشتباهید. بیاید در این سفر علمی با کنت لیبرخت هم مسیر شویم تا از یکی از کنجکاوی های کودکیمان پرده برداریم.

راهنمای این سفر علمی کیست؟

اما قبل از این که با هیجان روی برف‌ها بپریم، بگذارید راهنمای این سفر علمی را کمی بهتر بشناسیم. کنت لیبرخت (Kenneth Libbrecht) احتمالا آن کودک سمجی بوده که تا ته و توی چیزی را در نمی‌آورد، نمی‌توانست شب‌ها به درستی بخوابد. کنت بعدها تصمیم گرفت یک فیزیکدان شود. او در دانشگاه کالیفرنیا مشغول به تحصیل شد. در آزمایشگاه همین دانشگاه بود که ساختار داخلی خورشید را بررسی کرد و ابزاری را توسعه داد که امواج ثقلی را شناسایی می‌کند.

اما این‌ها ذهن کنجکاو کنت را راضی نگه نداشت و او ۲۰ سال گذشته را صرف مطالعه در رابطه با موضوع مورد علاقه خود کرد. آن موضوع مورد علاقه، دانه برف بود. اما نه تنها ظاهر دانه برف، بلکه علتی که باعث می‌شود هر دانه، شکلی خاص به خود بگیرد هم او را در فکر فرو برد. کنت می‌گوید:

کمی خجالت‌آور است، ولی وقتی می‌بینم چیزی از آسمان به زمین می‌آید، ناخودآگاه از خودم می‌پرسم که چرا این شکلی است؟ این سوال من را به فکر فرو برد.

به همین دلیل، او سواحل گرم کالیفرنیا را رها کرد و سر از جنگل‌های آلاسکا درآورد. آلاسکا جایی است که زمستان‌هایش معمولا دمایی کمتر از صفر دارند و کنت به آن‌جا رفت و دوربینش را هم با خود برد؛ خز ضخیم و گرمش را پوشید و دوربین را جلوی تخته فومی خود تنظیم کرد؛ او آنجا نشست و منتظر برف شد.

اما چیزی که او دنبالش بود، دانه‌های برفی بودند که بیشتر از بقیه زرق و برق دارند و تیزتر هستند. کنت زیباترین دانه برفی که طبیعت تولید می‌کرد را می‌خواست. او می‌گوید که دانه برف درست و حسابی را در سردترین مناطق پیدا کرده است؛ مثلا شمال ایالت نیویورک. اما کنت خودش اعتراف می‌کند که بهترین دانه برفی که توانسته از آن عکس بگیرد را در شهری به نام کاکرن در جایی دور افتاده در شمال استان انتاریو کانادا پیدا کرده است؛ جایی که بادی نمی‌وزد و دانه برف منحرف نمی‌شود.

کنت خودش را میان المان‌های طبیعت مخفی می‌کند و با صبری مثال زدنی که تنها مختص باستان شناسان است، به دنبال کامل‌ترین دانه برف و کریستال‌های برفی می‌گردد:

اگر دانه برفی زیبا آنجا باشد، قطعا چشمتان آن را می‌بیند؛ اگر هم نباشد، آن‌ها را کنار زده و ساعت‌ها برای پیدا کردن کامل‌ترین دانه صبر می‌کنید.

چند مدل دانه برف داریم؟

فیزیکدانان دانه‌های برف را در دو دسته‌بندی غالب قرار می‌دهند

حالا بیایید سفر علمی خود را شروع کنیم. برای حدود ۷۵ سال، فیزیکدانان دانه‌های برف را در دو دسته‌بندی غالب قرار می‌دادند. دسته اول همان دانه برف ستاره‌ای شکل تخت خودمان است که یا ۶ گوشه دارد یا ۱۲ گوشه؛ هر کدام هم به پیچیده‌ترین و زیباترین حالت ممکن از شاخه‌هایی درهم، مزین شده‌اند. دسته دوم دانه برف‌های ستونی هستند که معمولا شبیه ساندویچی از صفحات تخت هستند؛ حتی می‌توان آن‌‌ها را به یک پیچ تشبیه کرد.

این اشکال در دما و رطوبت‌های مختلف تشکیل می‌شوند، اما دلیل آن، همواره یک راز بوده است. با این حال در طول ۲۰ سال رنج و زحمت، در مشاهدات کنت می‌توانیم به داخل فرایند کریستالیزه شدن دانه برف، سرکی بکشیم. گیله دمانژ (Gilles Demange) که خود در دانشگاه روآ در فرانسه متالورژی خوانده است، در رابطه با کنت می‌گوید:

او در این زمینه مانند پاپ است.

اما اکنون مسیر کار کنت تغییر کرده و او سعی دارد توضیح دهد چرا دانه برف و دیگر کریستال‌های برفی، در قالب اشکال مختلف تشکیل می‌شوند. مدل او، توضیح می‌دهد که رقص مولکول‌های آب در نزدیکی دمای صفر درجه و حرکت خاص این مولکول‌ها، چگونه باعث می‌شود که این کریستال‌ها در شرایط مختلف به اشکال متفاوت تبدیل شوند. البته به همین سادگی هم نیست و مقاله او ۵۴۰ صفحه دارد که آن را در این سفر علمی نمی‌خوانیم، اما یکی از فیزیکدانان اجرام چگال به نام داگلاس نتلسون (Douglas Natelson)، این مقاله را به «تور دور فرانسه» تشبیه می‌کند.

دانه برف ۶ سر ستاره‌ای

تقریبا همه می‌دانند که هیچ دو دانه برفی، یکسان نیستند

تقریبا همه می‌دانند که هیچ دو دانه برفی، یکسان نیستند؛ دلیلش هم شاخه‌هایی است که باعث تشکیل کریستال‌ها در آسمان می‌شود. اما اصلا برف چیست؟ برف خوشه‌ای از کریستال‌های یخی است که در اتمسفر تشکیل می‌شوند و در حین باریدن از آسمان، شکل خود را نیز حفظ می‌کنند. این خوشه‌ها زمانی تشکیل می‌شوند که هوا به اندازه کافی سرد باشد تا نه به هم بچسبند و نه به تگرگ یا باران تبدیل شوند.

هر ابری نواحی مختلف با دما و رطوبت‌های متفاوت دارد، اما این‌ها معیارهایی هستند که تنها بر تشکیل یک دانه برف تاثیر می‌گذارند. به همین دلیل، معمولا رشد هر دانه برف متقارن است. در سوی دیگر، هر دانه برف توسط تغییرات باد، نور خورشید و متغیرهای دیگر، تغییر ظاهر می‌دهد، زیرا هر کریستال در هرج و مرج ابرها تسلیم شده و اشکال مختلف را به خود می‌گیرد.

اما بیاید سوار ماشین زمان شویم و به عقب برگردیم؛ خیلی عقب؛ مثلا ۱۳۵ سال پیش از میلاد مسیح. اما چرا باید اینقدر به عقب بازگردیم؟ کنت می‌گوید در تحقیقات خود به اولین نشانه‌های ثبت شده از دانه برف رسیده که در این سال خاص مکتوب شده‌اند. محققی به نام هان یین (Han Yin) می‌گوید:

گل‌های گیاهان و درختان معمولا پنج سر هستند، اما دانه‌های برف ۶ سر هستند.

با این حال، اولین شخصی که واقعا به سراغ فهمیدن این اتفاق رفته، یوهانس کپلر (Johannes Kepler) دانشمند و بحر علوم آلمانی بود. در سال ۱۶۱۱، کپلر هدیه‌ای به همکار خود داد؛ مقاله ای از رودلف دوم (Rudolf II)، امپراتور مقدس روم به نام « دانه برف ۶ گوشه». کپلر می‌گوید زمانی که از پل چارلز در پراگ عبور می‌کرده، متوجه دانه برفی روی یقه خود شده که او را به تعمق عمیق در رابطه با هندسه عجیب آن وا داشته است.

کپلر به یاد می‌آورد که نامه‌ای از همکار هم دوره خود به نام توماس هریوت (Thomas Harriot) دریافت کرده که هم دانشمند و هم منجم بود و به عنوان راهنمای سر والتر رالی (Sir Walter Raleigh) در سال ۱۵۸۴ فعالیت می‌کرد. هریوت به دنبال مطلوب‌ترین راه برای چیدن توپ‌های جنگی رو عرشه کشتی رالی بود. او به این نتیجه رسید که یک ۶ وجهی، نزدیک‌ترین شکل به یک دایره خواهد بود و این کشف را با کپلر در میان گذاشت.

کپلر با خود فکر کرد که اگر چنین چیزی در رابطه با دانه برف هم صدق کند، آیا ۶ وجه آن را می‌توان به عنوان «کوچک‌ترین واحد طبیعی آب مایع» در نظر گرفت یا خیر. تلاش اولیه کپلر بسیار قابل توجه بود، زیرا فیزیک اتمی ۳۰۰ سال بعد مطرح شد. اما این واقعیت درست که ملکول‌های آب که متشکل از یک اتم اکسیژن و دو اتم هیدروژن هستند، علاقه دارند که به هم بچسبند و ساختاری ۶ وجهی را به وجود بیاورند. با این حال، کپلر و دوستانش نمی‌دانستند که این قضیه چقدر مهم است.

نتلسون می‌گوید:

به دلیل پیوند هیدروژنی و جزئیاتی که مشخص می‌کند مولکول‌ها چگونه با هم اندرکنش دارند، این ساختار کریستالی باز به وجود می‌آید.

این ساختارهای ۶ وجهی، فارغ از کمک کردن به تشکیل دانه‌های برف، چگالی آن‌ها را نیز از آب کمتر می‌کند. این عمل به شدت بر ژئوشیمی، ژئوفیزیک و شرایط اقلیمی تاثیر می‌گذارد. نلسون عقیده دارد که اگر یخ شناور نبود، زندگی روی زمین امکان‌پذیر نمی‌شد.

دانه برف آزمایشگاهی

تا سال‌ها بعد از نگارش مقاله کپلر، بررسی دانه برف بیشتر نوعی سرگرمی محسوب می‌شد تا یک علم. در سال ۱۸۸۰ عکاسی آمریکایی به نام ویلسون بنتلی (Wilson Bentley) از یک شهر به شدت سرد در ایالت ورمانت، اولین عکس‌های کریستالی از دانه برف را توسط صفحات عکاسی ثبت کرد. او آنقدر در کارش جدی بود که پس از ثبت ۵ هزار عکس مختلف از دانه برف، بر اثر ذات‌الریه مرد (یکی دیگر از دلایلی که باعث می‌شود به سراغ ثروت برویم تا علم).

پس از ویلسون در سال ۱۹۱۳ محققی ژاپنی به نام یوکیچیرو ناکایا (Ukichiro Nakaya)، تحقیقات سیستماتیکی را روی تولیدات دانه برف در آزمایشگاه آغاز کرد. او تا اواسط قرن بیستم نتوانست دانه برفی تولید کند، اما بعدها به کمک رشته‌هایی از موی خرگوش کریستال‌های یخ زده را در هوا معلق نگه داشت تا در نهایت به یک کریستال کامل تبدیل شوند.

رطوبت کم باعث می‌شود تا دانه برف ستاره‌ای صفحاتی ۶ گوش داشته باشد

او با دستکاری دما و رطوبت توانست دو دسته از اشکال دانه برف را که پیش‌تر کنت برایمان توضیح داده بود را تولید کند و کاتالوگی از اشکال مختلف دانه‌های برف را به تصویر درآورد. یوکیچیرو متوجه شد که دانه‌های برف ستاره‌ای شکل، در دمای منفی ۲ درجه و منفی ۱۵ درجه تشکیل می‌شوند. دانه‌های برف ستونی نیز ابتدا در دمای منفی ۵ درجه و دوباره در منفی ۳۰ درجه شکل می‌گیرند. رطوبت کم هم باعث می‌شود تا دانه برف ستاره‌ای صفحاتی ۶ گوش داشته باشد، اما رطوبت بالا باعث پیچیده شدن ساختار دانه شده و بیشتر درهم و برهم می‌شوند.

کنت می‌گوید توجه به ساختارهای متفاوت دانه برف را مدیون کنجکاوی یوکیچیرو هستیم. وقتی گوشه‌های ستاره‌ها به سرعت به سمت بیرون و صفحه به سمت بالا حرکت کند، کریستال‌ها تمایل دارند تا به صفحات یا ستاره‌هایی تخت تبدیل شوند تا اشکال ۳ بعدی. کریستال‌های ستونی باریک اما به شکل دیگری تشکیل می‌شوند و صفحات آن‌ها به سرعت رشد می‌کند در حالی که گوشه‌ها آهسته شکل می‌گیرند.

اما ذهن کنجکاو کنت به این کشفیات بسنده نکرد. او از خود پرسید که با تغییرات دما، چه فرایند اتمی رخ می‌دهد که باعث می‌شود اشکال دانه برف، متفاوت شوند. کنت دوست‌داشتنی ما، بالاخره توانست دستورالعملی برای تولید دانه برف پیدا کند.

دستورالعمل تولید دانه برف

کنت و کادر محققینش، به دنبال راهی بودند تا معادلات و پارامترهای لازم را به یک ابر کامپیوتر بخورانند تا از آن طرف اشکال مختلف دانه‌های برف به بیرون پرتاب شود تا بالاخره بتوانیم اشکال خارق‌العاده دانه‌های برف را ببینیم.

مهمترین دستاورد کنت چیزی بود به اسم «همجوشی مولکولی وابسته به انرژی سطحی».

کنت ما از ۲۰ سال پیش که اولین دانه برف ستونی را مشاهده کرد، دنبال این کار بود. او با خود فکر می‌کرد که چگونه نتوانسته این همه تفاوت را در اشکال مختلف دانه‌های برف ببیند. از همین رو او شروع کرد به نوشتن داستان‌های علمی در این رابطه و در عین حال، آزمایشگاه تولیدات دانه برف خود را نیز تجهیز می‌کرد. مدلی که او ساخت، حاصل عکاسی ۲۰ ساله او بود که به تازگی قطعات پازلش را تکمیل کرده بود.

مهمترین دستاورد او چیزی بود به اسم «همجوشی مولکولی وابسته به انرژی سطحی» (تقصیر ما نیست، از کنت توضیح بخواهید). این مدل توضیح می‌دهد که چگونه تشکیل یک دانه برف به شرایط اولیه و رفتار مولکول‌های تشکیل دهنده آن وابسته است. حالا اگر بخواهیم این مدل علمی را توضیح دهیم، چیزی شبیه این می‌شود:

تصور کنید که مولکول‌های آب، بدون قاعده مشخصی در کنار هم قرار گرفته و با تبخیر آب، شروع به یخ زدن می‌کند. اگر این فرایند را زیر میکروسکوپ نگاه کنید، می‌بینید که مولکول‌های در حال یخ زدن آب، شبکه‌ای مستحکم را تشکیل می‌دهند که در آن هر اتم اکسیژن توسط ۴ اتم هیدروژن احاطه شده است.

این کریستال‌ها با به کارگیری مولکول‌های آب، هوای اطراف آن را نیز شکل می‌دهند که در دو جهت رشد می‌کند؛ یا به بالا یا به بیرون. زمانی که گوشه‌های کریستال از دیگر صفحات آن سریع‌تر رشد کند، کریستالی نازک و تخت (خواه صفحه‌ای شکل، خواه ستاره‌ای) تشکیل می‌شود. اگر کریستال در حال جوانه زدن، به بیرون رشد کند، یعنی اگر صفحات آن از گوشه‌ها سریع‌تر شکل گیرد، باعث خواهد شد کریستال بلندتر شده و در نهایت به ستونی توخالی با سوزن تبدیل شود.

بر اساس مدل کنت، بخار شدن آب، اول از گوشه‌های کریستال شروع می‌شود. در نتیجه یا به صفحات آن جوش می‌خورد یا به گوشه‌ها که خود باعث می‌شود کریستال به بیرون یا به بالا رشد کند. بیشتر این فرایند‌ها، تاثیرات سطحی متفاوتی می‌گذارند که بسیار به دما وابسته هستند.

تمامی این بلاها و داستان‌ها تنها بر سر یخ می‌آید و دلیل آن هم پدیده‌ای است به نام «پیش ذوبی». آب یخ (نه آب خیلی سرد البته)، معمولا نزدیک دمای یخ زدن تشکیل می‌شود؛ جایی که لایه‌های بالایی، مایع شکل هستند و درهم. پیش ذوبی در گوشه‌ها و صفحات با هم تفاوت‌هایی دارد که به نوعی می‌توان آن را به تابعی از دما تعبیر کرد. با این وجود، جزئیات این مفهوم هنوز به خوبی درک نشده است. کنت می‌گوید این مدلی است که من توانسته‌ام سرهم کنم. با این حال، ساختار و تصویرهای فیزیکی آن، قابل قبول است.

چقدر به درک تشکیل دانه برف نزدیک شده‌ایم؟

مدل او تقریبا نیمه تجربی است و به گونه‌ای طراحی شده که با مشاهدات سازگاری داشته باشد و با اصول اولیه تشکیل دانه برف زیاد تطابق ندارد. ناپایداری و اندرکنش‌های تعداد بی‌شماری از مولکول‌ها، آنقدر پیچیده است که نتوانیم یک شبه آن‌ها را رمزگشایی کرد. اما کنت امیدوار است که مدل او به عنوان پایه و اساسی برای درک بهتر و عمیق‌تر دینامیک رشد یخ باشد که در نهایت بتوان آزمایش‌هایی با جزئیات بیشتر و دقیق‌تر انجام داد.

با وجود این که یخ ساختاری به شدت عجیب دارد، می‌توان سوالاتی مشابه را برای دیگر اجرام چگال نیز مطرح کرد. مولکول‌های داروها، چیپ‌های نیمه هادی، پنل‌های خورشیدی و هزاران هزار دستگاه دیگر، به شدت به کریستال‌های باکیفیت وابسته هستند که باعث می‌شود تحقیقات زیادی توسط دانشمندان مختلف در رابطه با این مسئله صورت گیرد، اما این داستان را در سفر علمی دیگری شرح می‌دهیم.

راهنمای ما در این سفر، عقیده دارد که دانشمندان در سال های آتی به کمک کامپیوترهای پیچیده‌تر و آزمایشات بهتر، می‌توانند رشد کریستال را دقیق‌تر توصیف کنند:

روزی خواهد رسید که ما می‌توانیم مدلی مولکولی بسازیم که اتم‌ها هم در آن مشخص هستند تا پدیده‌ها را در ریز‌ترین حالت مشاهده کنیم؛ یا همان فیزیک کوانتوم خودمان.

با تمام این اوصاف، به پایان این سفر علمی رسیده‌ایم. کنت هم دیگر ۶۱ ساله شده و کم کم باید به فکر بازنشستگی باشد. برای همین او سرزمین‌های سردسیر را ترک کرده و به سواحل گرم و آفتابی کالیفرنیا بازگشته است تا هر از گاهی به آزمایشگاه خود برود و از دانه‌های برف عکس بگیرد. او می‌گوید:

من باقی کارهایم را کنار گذاشته‌ام تا تنها روی یخ، تمرکز کنم.

شاید سفر علمی ما در این یخبندان به انتهای خود رسیده باشد، اما به نظر می‌رسد کنت همچنان دوست داشته باشد در این بوران به عکاسی از دانه‌های برف بپردازد. پس بهتر است او را تنها بگذاریم.