SVEMIR U PAHULJI SNEGA

Zima je i sneg miriše na ulicama. Nema diskusije koja ovih dana može da prođe bez njega. Sneg ovo, sneg ono... Od ljubimca do osuđenika, trnovit put prelazi jedan nedužni gospodin. A, ko je on? Za mene postoji više entiteta i pojava koje možemo opisati istim imenom:

1.)  Sneg je prvenstveno padavina koju čine ledeni kristali vode. Čine ga mnogobrojne pahulje.

2.)  Sneg je i uzrok zbog kojeg smo se kao klinci često penjali na krov, nameštali antenu pokušavajući da što bolje raspoznamo brojeve na dresovima omiljenih košarkaša.

3.)    Sneg je nadimak mog prijatelja koji ovih dana vredno sprema svoj poslednji ispit na fakultetu (i pravi sjajnu rakiju kad nema snega).

4.)   Sneg (tj. Snow) je umetničko ime kanadskog repera koji se proslavio hitom sa početka 90-ih „Informer“. Verujem da ga se mnogi sećaju, kao i pokušaja da razumeju sve reči koje ovaj čovek izgovara u toj pesmi.

Dakle, SNEG (bar ona pojava navedena pod rednim br. 1) je trenutno rasut po čitavoj Evropi, Severnoj Americi, a pre nekoliko godina bili smo svedoci čudesne pojave – veliki, iznenadni nalet padavina zavejao je čitavo osunčano selo na jugu Kenije. Džinovske „bele stene“, kako su ih prozvali lokalni stanovnici, budile su istovremeno uživanje i čuđenje, strah i ponos. 

Sneg na Kilimandžaru

... i sneg u Južnoj Africi

Ako bismo i smatrali bojažljivost naših afričkih prijatelja kao apsolutno opravdanu, možemo li se onda zapitati šta mi znamo o gospodinu Snegu... i gospođi(ci) Pahuljici? Podsetio sam se dana u osnovnoj školi i rečenice iz jedne popularne TV emisije: „Ne postoje dve pahulje koje su potpuno identične!“ Isto tvrđenje čuo sam i na fakultetu. Njegov značaj je time bio uvećan, a do sada nisam baš previše razmišljao koliko je to, zapravo, tačno.

Poljubac na snegu

Krenimo redom

Kristаlizаcijа vode koja ulazi u sastav snega odvijа se u аtmosferi i usled niske temperаture (tokom pаdа) može se zаmrznuti i pretvoriti u susnežicu i led. Tаko nаstаle zаleđene čestice ne čine sneg i rаzlikuju se od snežnih pаhuljа po svom obliku i strukturi. Snežne pаhulje nаstаju u oblаcimа, a snežni kristаli se formirаju direktno iz vodene pаre. Pаhulje mogu biti sаčinjene od jednog ili više spojenih kristаlа. Pri višim temperаturаmа nа zemlju pаdаju u snežnim grudvicаmа, jer su izgrađene od većeg broja kristala, a kаko snežni kristаl postаje sve veći, njegovih šest uglovа bivаju sve više rаzmаknuti i sve više okruženi zаsićenim vаzduhom. Tada uglovi počinju dа rаstu nešto brže od ostаtkа kristаlа. Na osnovu ove mаle rаzlike u brzini nа uglovimа, šestougаoni kristаl počinje dа se grаnа u šest krаkovа. Okolni аtmosferski uslovi su prаktično isti zа sve krаke, i to je razlog zašto sve snežne pаhulje imаju šest međusobno identičnih krаkovа.

Vrste snežnih kristala (CALTECH klasifikacija)

Prve pisane dokaze o pokušaju da se objasni heksagonalna struktura snežnog kristala nalazimo kod slavnog fizičara i astronoma Johana Keplera. Naravno, i pre njega je sigurno bilo pokušaja za razotkrivanjem malih tajni gospodina Snega, ali istorija nauke nam nije ponudila i adekvatne dokaze za to. Nakon Keplera, nastala je prava mala „snego-revolucija“ – veliki broj naučnika i filozofa se utrkivao ko će ponuditi tačniji opis i objašnjenje zašto snežna pahulja izgleda baš tako kako izgleda. U 18. veku se započelo sa intenzivnim posmatranjem kristalne forme pod mikroskopom, a 1855. detaljnu klasifikaciju više od 90 vrsta snežnih kristala dao je Džejms Glejšer, engleski meteorolog i veliki zaljubljenik u astronomiju.

Zbog specifične refleksije svetlosti, sneg (koji je, inače, bezbojan) vidimo u beloj boji. Svetlost se po talasnim dužinama deli na različite delove spektra, a spajanjem svih tih boja dobijamo belu, što je, uz nesavršenog našeg vidnog aparata,  i osnovni efekat koji nam omogućava da snežne padavine doživljavamo kao veliku, belu idilu. Ah, te divne nesavršenosti!

Da se vratimo sada na gospođ(ic)u Pahulju! Da li zaista ne postoje dve istovetne snežne pahulje na planeti Zemlji?

Prvo – ako bi pretpostavili da negde na Zemlji padnu dve POTPUNO IDENTIČNE snežne pahulje, kako ćemo to registrovati? Kako da znamo da baš NIGDE nije pala pahuljica istovetna kao ona koju smo pre samo nekoliko trenutaka držali na dlanu?

Drugo – šta uistinu znači da negde u prostoru postoje (ili, ne postoje) POTPUNO IDENTIČNE pahulje?

Iz  fizike znamo da u prirodi postoje strukture koje su (uvek) potpuno identične: uzmimo primer elektrona. Kao elementarna čestica, on uvek mora biti svuda istinski identičan. (Oprosti, kvantna fiziko, probaj da nas razumeš bar ovaj put!)

Ukoliko sad razmotrimo snežnu pahulju zajedno sa njenom fraktalnom strukturom, možemo doći do interesantnih zaključaka – odgovor na naše pitanje zavisiće od veličine pahulja koje želimo upoređivati, tj. od fizičke skale na kojoj se formiraju sve veće i veće strukture. 

Prilikom stvaranja snežne pahuljice površinski napon teži da smanji površinu i napravi sferni oblik, dok ga u toj nameri ometa kristalizacija ometa težeći da postavi molekule vode u diskretne međusobne položaje. Suprotstavljanje ovih dveju sila za posledicu ima kompleksnu strukturu pahuljice. U svakoj grani moderne nauke (ne samo fizike) javljaju se objekti koji imaju fraktalnu strukturu (bilo u realnom prostoru, bilo na nekom apstraktnijem nivou). Važna osobina je njihova međusobna sličnost, i ona olakšava proučavanje tako što ako saznate osobinu jednog dela sistema, autmomatski dobijate ostatak slike o celom sistemu. Jedino što treba je da utvrdite kako se osobine menjaju skaliranjem.

A oblika zaista ima pregršt. U jendoj od detaljnijih podela snežnih kristala, naići ćemo na : proste prizmatične oblike, dendritske kristale, zvezdane pahulje, triangularne kristale, igličaste, pa čak i nepravilne kristale.

Klasifikacija koju je uradio japanski naučnik Nakaya

Zadržimo li našu pažnju samo na prostim prizmatičnim heksagonalnim oblicima koji karakterišu formu sačinjenu od maksmimalno 10 molekula i veličine reda mikrometra, možemo tvrditi da postoje identične pahulje. To je metod koji se zasniva na principu – uprostićemo stvar da bismo došli do tačke gde su objekti identični. I to identični kada se gledaju kroz mikroskop.

Ali, šta se dešava sa našom pahuljom koju možemo da vidimo golim okom?

Usled ogromnog broja kombinacija na koji može da se stvori kompleksni kristal (matematičari su izračunali da je to broj sa 158 nula!), kao i činjenice da nisu ni svi molekuli vode isti (dešava se da običan vodonik u molekulu vode nekad bude zamenjen deuterijumom, a takođe i kiseonik sa svojim O-18 izotopom), verovatnoća da se stvore dve potpuno identične složene kristalne forme skoro da je jednaka nuli. Čak i da posmatramo kompletnu istoriju našeg Univerzuma (od skoro 14 milijardi godina), ne bismo mogli biti sigurni da su se pojavile dva sijamska blizanca u obliku snežnih pahulja!

Slično jednoj malenoj pahuljici, i Svemir ima fraktalnu strukturu koja je skalirana na određenim rastojanjima – naime, jedno od ključnih pitanja moderne kosmologije je da li svemir na velikim skalama frkatalan. Drugim rečima – kada bismo čitav svemir nacrtali na belom papiru, da li bi on imao oblik fraktala ili bi bio homogen i izotropan?

Mandelbrotov skup koji prikazuje fraktalnu raspodelu galaksija

Prikaz strukture na različitmim skalama (crvenim pomacima) 

Zato, budite ponosni ako se ovih dana zagledate u pahulju – vi ćete u tom trenutku biti neko ko direktno gleda u tajne Svemira!