Почему снежинки симметричны?

Когда вода замерзает, вы получаете лед. Лед, как и многие твердые материалы, образует кристаллическую структуру. В случае воды кристаллическую структуру можно объяснить водородной связью, особым видом взаимодействия притяжения.

Таким образом, большой кусок льда будет иметь кристаллическую структуру — предпочтительные направления, трансляционную симметрию и некоторую вращательную симметрию.

Но как насчет снежинки?

Снежинка отличается от большого куска льда тем, что она маленькая. Что еще более важно, он находится в процессе роста. Вы должны подумать о процессе создания снежинки.

В начале он был маленьким. Несколько атомов образовали небольшой кусочек кристалла. Такой небольшой кусочек кристалла почти всегда имеет некоторую гексагональную (или другую) симметрию. Что произойдет, если вы немного подождете, а он продолжит зависать?

Молекулы воды добавляются к кристаллу, потому что это энергетически выгодно: пар превращается в лед, а пар нужен для создания снежинок, потому что жидкая вода замерзает по-другому.

Природа добавляет по одной молекуле воды за раз. Молекулы всегда стараются выбрать наиболее энергетически выгодное положение на замороженном теле. Поскольку эти законы образования снежинки симметричны по отношению к вращательным симметриям, отсюда следует, что любая симметрия, существовавшая вначале, — гексагональная симметрия небольшого числа молекул в исходном кристалле — сохранится. Почти неизбежно, что все плечи растут примерно одинаково, поэтому исходная группа симметрии сохраняется и становится симметрией макроскопического объекта.

Более сложный вопрос, собственно, почему снежинки такие разнообразные и красивые. Скорее всего, не случайно они достигают той или иной формы. Изменение давления, температуры или влажности в зависимости от времени меняет условия, определяющие оптимальные места, куда должна быть добавлена ​​новая молекула пара. Но даже если давление, температура и влажность зависят от времени, гексагональная симметрия сохраняется.

У К. Либбрехта есть хорошая статья, которая подробно отвечает на ваш вопрос и содержит несколько хороших фотографий — его домашняя страница: http://www.its.caltech.edu/~atomic/publist/kglpub.htm Прокрутите вниз до статьи на американском языке . Ученый в своем списке публикаций «Формирование снежных кристаллов», KG Libbrecht, American Scientist 95, 52-59 (2007). Посмотреть пдф.

ПДФ здесь

Не все снежинки симметричны. Можно довольно легко нарушить симметрию, введя примеси или какой-нибудь механический артефакт. В природе у снежинок достаточно времени, чтобы сформироваться, и для них более естественно формировать симметричные формы из-за молекулярной структуры воды.

То есть, когда у молекул есть больше времени для перемещения и позиционирования, они будут делать это в соответствии с некоторой кристаллической структурой, которую молекула может демонстрировать. ")

Природа формы зависит от многих факторов, но чтобы увидеть, что такое разнообразие может исходить из чего-то простого, вам просто нужно взглянуть на IFS. По сути, вы берете несколько очень простых правил и создаете огромное количество вариаций, внося в них небольшие изменения.

http://en.wikipedia.org/wiki/Iterated_function_system

Не совсем ответ, но первая попытка объяснить форму была опубликована астрономом Иоганном Кеплером в 1611 году, оригинал на латыни - "Strena Seu de Nive Sexangula" (Новогодний подарок шестиугольного снега). Английский перевод («Шестиугольная снежинка») доступен на Amazon и в других местах.

Насколько я понимаю, последовательно действуют два процесса: сначала происходит случайный процесс присоединения одного H2O, а затем второй процесс, в котором требования энергетического баланса по всему кристаллу ограничивают допустимые точки присоединения, и это вызывает симметрию, как только все допустимые точки заполняются, энергия уравновешивается, и новое случайное место на всем ребре кристалла может принять молекулу. Они представляют собой форму автоматов, и я предполагаю, что правила заложены в квантовой физике.

Кристаллы природного снега имеют симметричную форму, потому что они заряжены, и некоторые свойства электромагнитного поля поддерживают их симметричность. Вы можете узнать больше, прочитав мою статью, доступную сейчас на сайте Research Gate/Roald Schrack.