Кеплер трактат о снежинках читать кратко
Обновлено: 29.06.2024
Жили-были снежинки, а поскольку не нашли себе занятия получше, полетели они вниз, на землю. Многие оказались в поле и остались там, многие упали на крыши и остались там, а одна снежинка угодила в открытое окно, но о ее участи рассказ умалчивает, наверное, там она и осталась.
Роберт Вальзер. Семейство Таннер
Воздух, в котором они возникают, наполнен творческим гением. Вряд ли я восхитился бы больше,
даже если бы мне на пальто упали настоящие звезды.
Генри Дэвид Торо
Обычно же в процессе своего движения внутри ледяного облака ледяные кристаллики растут за счет непосредственного перехода водяного пара в твердую фазу. Как именно происходит этот рост, зависит от внешних условий, в частности от температуры и влажности воздуха. Характер зависимости ученые в общих чертах выявили, однако объяснить его пока не смогли.
В одних условиях ледяные шестигранники усиленно растут вдоль своей оси, и тогда образуются снежинки вытянутой формы — снежинки-столбики, снежинки-иглы. В других условиях шестигранники растут преимущественно в направлениях, перпендикулярных к их оси, и тогда образуются снежинки в виде шестиугольных пластинок или шестиугольных звездочек. К падающей снежинке может примерзнуть капелька воды — в результате образуются снежинки неправильной формы.
Первым же изучать снежинки начал Иоганн Кеплер (1571-1630) – знаменитый немецкий астроном и математик.
И отчего всякий раз, когда начинает идти снег, первые снежинки имеют форму шестиугольной звезды. Следовательно, на то должна быть определенная причина. Обратившись к геометрии, ученый заметил, что и пчелиные соты также построены в шестиугольном порядке:
Наблюдая за тем, что под влиянием холода происходит сгущение водяных паров, ученый задается вопросом: можно ли холод считать причиной, по которой снег имеет шестиугольную форму? И почему зимой на окнах образуются морозные узоры? Ответ такой:
Однако по-прежнему не былая выяснена причина шестиугольной формы снежинок. Наконец Кеплер заметил, что снежинки при падении не сразу ложатся плашмя. Несколько мгновений отдельные их части стояли торчком и лишь некоторое время спустя опускались на землю. Почему?
«Шестиугольные звездочки возникают при падении трех опущенных диаметров, соединенных в одной точке так, что концы их равномерно распределяются по окружности, и опускаются на землю лишь тремя опущенными лучами, в то время как три других луча, служащие продолжениями первых, остаются приподнятыми до тех пор, пока лучи, на которые опирается звездочка, не разогнутся и другие лучи, торчащие вверх, не опустятся на ту же плоскость в промежутках между первыми тремя лучами.
Если спросить математика, в какой фигуре три диаметра пересекаются в одной точке ортогонально, или в виде двойного креста, то математик ответит: в октаэдре, противоположные вершины которого соединены. Но октаэдр имеет именно шесть вершин. Как же случается, что падающий снег, прежде чем стать плоским, тремя своими диаметрами, расположенными под прямыми углами друг к другу, образует остов октаэдра?
Кеплер выдвинул предположение о том, что три избранных диаметра возникают по той же причине, по которой в телах живых существ имеются три избранных направления: верх, низ, передняя и задняя часть, а также правая и левая стороны.
Возникновение шести избранных направлений в телах животных говорит о том, что тела животных не только сотворены по архетипу геометрических фигур, а именно куба, а также в силу необходимости для достижения некой цели. Человека также можно уподобить кубу, собранному из различных элементов.
Какова же цель в образовании снега? И. Кеплер отвечает:
Невесомые снежинки – это сказочная красота чудесницы-природы! В настоящее время красивые фотографии снежинок, выполненные на макро-объектив, создал канадский фотограф Дон Комаречка (Don Komarechka).
Понимание процесса формообразования позволило ученым самим создавать снежинки, получая информацию о физике роста кристаллов и модели их формирования. Исследование снежинок может помочь и при изучении климатических изменений и свойств воды в целом.
И хотя работа была написана более четырех веков назад, но даже сегодня читателя увлекает то, как точные научные сведения Иоганн Кеплер сумел преподать в шутливой форме новогоднего рассказа.
Медленно кружась, маленький кристаллик льда падает вам на рукав. На улице холодно, он не тает и мерцает в свете фонарей крохотной шестиугольной звездочкой на темной материи. Какая у него совершенная форма! Лучики снежинки идеально вписываются в правильный шестиугольник. И при этом вы никогда не найдете двух одинаковых снежинок. Откуда в природе это умение — выстраивать в геометрическом порядке пластинки замерзшей воды?
***
Ученый начинает размышлять — и мы, привыкшие к абстрактному и сухому языку науки, можем только изумляться его буквально детской открытости, пытливости и воображению и в то же время глубоким знаниям и прозрениям. Наверное, это и есть подлинная мудрость философа, способная за многообразием форм видеть единые законы, которые правят и безграничной Вселенной, и маленькой снежинкой.
Что же движет пчелами, строящими соты, и плодами граната, как они находят эти оптимальные для себя формы? Кеплер приходит к выводу, что форма сот и зерен обусловлена не природой их вещества и не внешними обстоятельствами. Этот архетип заложен в них единой творческой силой — той, которая создала пчелу, предначертав ей законы зодчества, и гранат, чьи зерна, вырастая, выстраиваются в идеальном порядке. Та же причина обуславливает и золотую пропорцию, постоянные числовые соотношения, присущие растениям. И она же придает снежинкам их форму.
Снега в центральной части России этой зимой маловато. Кое-где он выпал, конечно, но в январе месяце можно было ждать какой-то более морозной и снежной погоды. Унылая серость и неприятная слякоть мешают ощутить радость от привычных зимних забав. Поэтому Cloud4Y предлагает добавить немного снега в нашу жизнь, поговорив о… снежинках.
Зачем? Он ищет самые сверкающие, самые фактурные, самые красивые снежинки, которые может создать природа. По его словам, наиболее интересные образцы имеют тенденцию образовываться в самых холодных местах — пресловутом Фэрбенксе и в заснеженной северной части Нью-Йорка. Самый же лучший снег, который Кеннет когда-либо наблюдал, шёл в Кокрейне, местечке на северо-востоке Онтарио, где слабый ветер кружил снежинки, падающие с неба.
Очарованный стихией, Либбрехт с упорством археолога изучает свою пенопластовую доску. Если там есть что-то интересное, взгляд обязательно зацепится за это. Если же нет — снег сметается с доски, и всё начинается заново. И это длится часами.
Наработки Либбрехта в этой области помогли создать новую модель, которая объясняет, почему снежинки и другие снежные кристаллы образуют то, что мы привыкли видеть. Согласно его теории, опубликованной в интернете в октябре 2019 года, описывает движение молекул воды возле точки замерзания (кристаллизации) и то, как конкретные движения этих молекул могут порождать совокупность кристаллов, которые образуются в различных условиях. В своей монографии объёмом 540 страниц Либбрехт описывает все знания о снежных кристаллах.
Шестиконечные звёзды
Вы, конечно же, знаете, что невозможно увидеть две одинаковые снежинки (разве что на этапе зарождения). Этот факт связан с тем, как кристаллы формируются в небе. Снег — это скопление ледяных кристаллов, которые образуются в атмосфере и сохраняют свою форму, когда они все вместе падают на Землю. Они образуются, когда атмосфера достаточно холодная, чтобы не допустить слияния или таяния и превращения в мокрый снег или дождь.
Хотя в пределах одного облака можно зафиксировать множество температур и уровней влажности, для одной снежинки эти переменные будут постоянными. Вот почему снежинка часто растёт симметрично. С другой стороны, каждая снежинка подвергается воздействию ветра, солнечного света и другим факторам. По сути, каждый кристалл подчиняется хаосу облака, и потому принимает различные формы.
Можно сказать, что это было начальное понимание принципов атомной физики, о которой заговорят лишь через 300 лет. Действительно, молекулы воды с их двумя атомами водорода и одним кислородом имеют тенденцию соединяться вместе, образуя гексагональные массивы. Кеплер и его современники даже не представляли, насколько это важно.
Как говорят физики, благодаря водородной связи и взаимодействия молекул друг с другом мы можем наблюдать открытую кристаллическую структуру. Помимо способности выращивать снежинки, шестиугольная структура позволяет сделать лёд менее плотным по сравнению с водой, что оказывает огромное влияние на геохимию, геофизику и климат. Другими словами, если бы лёд не плавал, жизнь на Земле была бы невозможна.
Но после трактата Кеплера наблюдение за снежинками было скорее хобби, чем серьёзной наукой. В 1880-х годах американский фотограф по имени Уилсон Бентли, живший в холодном, вечно заснеженном маленьком городишке Иерихон (штат Вермонт, США), начал делать снимки снежинок с помощью фотопластин. Он успел создать более 5000 фотографий, прежде чем умер от пневмонии.
Ещё позднее, в 1930-х годах, японский исследователь Укичиро Накая начал систематическое изучение различных типов снежных кристаллов. В середине столетия Накая выращивал снежинки в лаборатории, используя отдельные волоски кролика, помещённые в охлаждённое помещение. Он возился с настройками влажности и температуры, выращивая основные типы кристаллов, и собрал свой оригинальный каталог возможных форм. Накая обнаружил, что снежинки-звёзды имеют тенденцию образовываться при -2 °C и при -15 °C. Столбцы образуются при -5 °C и примерно при -30 °C.
Тут важно отметить, что при температуре около -2 °C появляются тонкие пластинчатые формы снежинок, при -5 °С они создают тонкие столбики и иголки, когда температура опускается до -15 °C, они становятся действительно тонкими пластинами, а при температуре ниже -30 °C они возвращаются в более толстые колонны.
В условиях низкой влажности снежинки-звёзды образуют несколько ветвей и напоминают гексагональные пластины, но при высокой влажности становятся более замысловатыми, кружевными.
По мнению Либбрехта причины появления различных форм снежинок стали понятнее именно благодаря работе Накая. Было установлено, что снежные кристаллы превращаются в плоские звёзды и пластины (а не трёхмерные структуры), когда края быстро растут наружу, а грани медленно растут вверх. Тонкие колонны растут по-другому, с быстро растущими гранями и более медленно растущими краями.
В то же время, основные процессы, влияющие на то, станет ли снежинка звездой или колонной, остались невыясненными. Возможно, секрет крылся в температурных условиях. И Либбрехт пытался найти ответ на этот вопрос.
Рецепт снежинки
Вместе со своей маленькой командой исследователей Либбрехт пытался придумать рецепт снежинки. То есть некий набор уравнений и параметров, которые можно загрузить в компьютер и получить от ИИ великолепное разнообразие снежинок.
Свои исследования Кеннет Либбрехт начал двадцать лет назад, узнав об экзотической форме снежинки, называемой закрытой колонной. Она похожа на катушку для ниток или на два колеса и ось. Рождённый на севере страны, он был шокирован тем фактом, что ни разу не видел такой снежинки.
Поражённый бесконечными формами снежных кристаллов, он занялся изучением их природы, создав лабораторию для выращивания снежинок. Результаты многолетних наблюдений помогли создать модель, которую сам автор считает прорывной. Он предложил идею молекулярной диффузии на основе поверхностной энергии. Эта идея описывает, как рост снежного кристалла зависит от начальных условий и поведения молекул, которые его образуют.
Представьте, что молекулы воды расположены свободно, так как пары воды только начинают замерзать. Если бы можно было оказаться внутри крошечной обсерватории и смотреть на этот процесс, то можно было бы увидеть, как молекулы замёрзшей воды начинают образовывать жёсткую решетку, где каждый атом кислорода окружён четырьмя атомами водорода. Эти кристаллы растут путём включения молекул воды из окружающего воздуха в их структуру. Они могут расти в двух основных направлениях: вверх или наружу.
Тонкий плоский кристалл (пластинчатый или звездообразный) образуется, когда края формируются быстрее, чем две грани кристалла. Растущий кристалл будет распространяться наружу. Однако, когда его грани растут быстрее, чем его края, кристалл становится выше, образуя иглу, полый столб или стержень.
Не стоит думать, что эти наблюдения интересны узкому кругу учёных. Подобные вопросы возникают в физике конденсированных сред и в других сферах. Молекулы лекарств, полупроводниковые чипы для компьютеров, солнечные элементы и множество других отраслей полагаются на высококачественные кристаллы, и целые группы занимаются вопросом их выращивания. Так что нежно любимые Либбрехтом снежинки вполне могут послужить на благо науки.
Перенесемся в Прагу приблизительно на четыреста лет назад, в 1611 год. Тихо кружась, падал первый снег, создавая в воздухе тонкую сказочную паутинку снежинок. Сорокалетний Иоганн Кеплер шел по заснеженной улице.
Уже пять лет он с семьей жил в Праге. Здесь они поселились в полуразрушенном доме, из окон которого были видны кузнечная мастерская, кабачок да забор, за которым разлилось небольшое болотце. Кеплер занимал должность императорского астронома и математика при дворе Рудольфа II, но по-прежнему зарабатывал деньги астрологическими прогнозами. Он был беден и порой не знал, чем на следующий день будет кормить больную жену и троих детей, не говоря уже о себе самом.
Кеплер шел по улице и смотрел на падающий снег. Он думал о том, что подарить на Новый год своему благодетелю, придворному советнику Иоганну Маттею Вакгеру фон Вакенфельсу.
Оно должно быть и малым, и почти неощутимым, и малоценным, и наименее протяженным, то есть быть почти Ничем.
Я перехожу мост, терзаемый стыдом за свою невежливость: ведь я оставил тебя без новогоднего подарка! И тут мне подворачивается удобный случай: водяные пары, сгустившись от холода в снег, выпадают снежинками на мою одежду, все, как одна, с шестиугольными лучами.
Клянусь Гераклом, вот вещь, которая меньше любой капли, имеет форму, может служить долгожданным новогодним подарком любителю Ничего, и достойна математика, обладающего Ничем и получающего Ничто, поскольку падает с неба и таит в себе подобие шестиугольной звезды!
Шестиугольная снежинка
Фото: Depositphotos
Зайдя в дом, Кеплер взял увеличительное стекло и стал внимательно изучать тающие на глазах снежинки. Он еще долго смотрел на мокрое пятно на рукаве и о чем-то думал. Потом взял бумагу и перо. Сел за рабочий стол и стал быстро записывать, изредка прерываясь из-за кашля…
Желаю вам дарить и получать только самые необычные и оригинальные подарки!
Проголосовали 65 человек
| 60 |
| 2 |
| 1 |
| 0 |
| 2 |
Комментарии (22):
Войти через социальные сети:
5-ка, статья хорошая и случай описан интересный
Оценка статьи: 5
Статья, оставляющая ощущение праздника
Спасибо!
очень интересная статья. какая-то научно - сказочно - новогодняя 5+
Только над заголовком действительно стоит подумать. Я тоже именно из-за него не читала статью.
И вот одного я не поняла:
Оценка статьи: 5
Оценка статьи: 5
Благодарю всех за отклики и высокие оценки!
С наступающим Новым годом! Счастья, здоровья и удачи!
Оценка статьи: 5
Оценка статьи: 1
Очень интересная статья, читается легко, спасибо!Счастливого вам Нового года, пусть он будет легким, как снежинки, и весомым, как зимний снег. Будьте здоровы!
Оценка статьи: 5
Оценка статьи: 5
из трех его бессмертных закона - законов?
Чудесно Юлиана ! Вы словно прочитали мои мысли. Дня три назад меня она посетила чтобы написать о Кеплере, но не только о снежинках, а в другом направлении. Очень хорошая статья. Вы попали на замечательный неиссякающий источник. Лёгкая словно снежинка, чрезвычайно радующая и одновременно таинственная, как рождественская и новогодняя ночь. Всегда всегда желанная и упоительная , насыщающая и вечно зовущая и манящая, потому как лучисто-божественная! Прекрасный подарок. Браво!
Оценка статьи: 5
Неужели Звезда Давидова - это снежинка?
А что смимволизирует Звезда Давидова?
В 1665 году Роберт Гук увидел с помощью микроскопа и опубликовал множество рисунков снежинок самой разной формы.
В России у Вильсона Бентли был даже не последователь, а предшественник, Андрей Сигсон (1840-1907). Он заинтересовался фотографией в возрасте 14-15 лет и в дальнейшем работал фотографом в Уфе, а позже в Рыбинске, где жители считали занятия Сигсона микрофотографией пустяками, мешающими зарабатывать деньги на портретных фото.
Известно несколько классификаций снежных кристаллов. В 1951 г. Комиссией снега и льда Международной ассоциации гидрологических наук предложена классификация, различающая семь основных форм кристаллов:
- - пластинки,
- - звездчатые кристаллы,
- - столбцы или колонны,
- - иглы,
- - пространственные дендриты,
- - столбцы с наконечниками
- - неправильные формы.
И еще три вида твердых осадков: мелкая снежная крупка, ледяная крупка и град.
Существует и более развернутая классификация, при которой каждый из этих типов разделяется на несколько видов и подвидов.
При падении снежных кристаллов с ними может случиться многое - частичное таяние, столкновения друг с другом и с каплями воды. Вот почему наиболее часто встречаются нерегулярные кристаллы, не имеющие легко идентифицируемой формы. Иногда кристаллы представляют собой комбинацию нескольких форм.
Профессор Укихиро Накайя из университета в Хоккайдо первым предположил, что величина и форма снежинок зависят от температуры и влажности воздуха, и подтвердил эту гипотезу экспериментально, выращивая в лаборатории кристаллы льда разной формы.
С понижением температуры обычно снежинки становятся более мелкими. Меняется и форма снежинок: от красивых правильных звездочек - к пластинкам и неправильным столбикам.
Молекулы воды в кристалле льда формируют шестиугольную решетку. На рисунке ниже красные шары – это атомы кислорода, между ними – атомы водорода. Шестикратная симметрия снежинок берет свое начало от кристаллической решетки льда - между лучами кристалла возможны углы лишь в 60° и 120°. Каждая молекула Н20 окружена четырьмя ближайшими к ней молекулами, находящимися на одинаковых расстояниях от нее и размещенных в вершинах правильного тетраэдра.
С чем связана плоская форма снежинок? Основная форма кристаллического снега – шестиугольная призма, которая включает две шестиугольные "базовые" поверхности и шесть прямоугольных граней. На боковых ребрах состояние поверхности снежинки энергетически более неравновесно, чем на "базовых" плоских поверхностях кристалла. Благодаря этому, на углах больше вероятность образования новых связей молекул друг с другом. Поэтому снежинки "предпочитают" расти не в толщину, а вширь в одной плоскости (в отличие от снежинок, у градин нет такой правильной кристаллической решетки, так как градины образуются при замерзании дождевых капель, а не из водяного пара).
Со временем выпавший снег частично утрачивает свою первичную структуру под влиянием собственного веса, температуры и ветра. Чем дольше лежит снег, чем больше он утрамбовывается, тем меньше в нем остается от первоначальных кристаллов льда. Старый снег утрачивает первоначальную структуру и преобразовывается в более или менее крупные зерна. При этом меняется и плотность снега. Для сухого снега это 10–20 кг/м3, для влажного — 100–300 кг/м3. Плотность лежалого снега — 200–600 кг/м3.
Ломаясь, снежинка издает неслышимый нашему уху звук. Если же снежинок одновременно ломается много, то вы этот звук слышите — это ни что иное, как скрип снега у вас под ногами. На холоде снежинки становятся более твердыми и хрупкими, поэтому хруст снега можно услышать только при сильно минусовой температуре.
Читайте также: