Pergunte a Ethan: Você poderia ter dois flocos de neve perfeitamente idênticos?
Cristais de neve de várias formas e tamanhos, como ocorrem naturalmente. Crédito da imagem: Popular Science Monthly Volume 53, 1898.
E quando você exige 'perfeitamente idêntico', quão alto você está definindo?
Vidas são flocos de neve - únicos em detalhes, formando padrões que vimos antes, mas tão parecidos entre si quanto ervilhas em uma vagem (e você já olhou para ervilhas em uma vagem? confundiria um com o outro, depois de um minuto de inspeção minuciosa.) – Neil Gaiman
Se você já ouviu alguém ser referido como um pequeno floco de neve especial, a implicação é que eles são lindos e preciosos por causa de todas as inúmeras maneiras pelas quais eles são únicos. O velho ditado diz que não há dois flocos de neve iguais, mas isso é realmente verdade? Vale a pena ver o que a ciência tem a dizer, e é exatamente isso que Kara Bittner quer saber, que pergunta:
Eu sei que os cientistas dizem que não há dois flocos de neve iguais, mas eu digo como você pode saber isso definitivamente a menos que você possa ver cada floco de neve que cai. Talvez um floco de neve na Rússia caia ao mesmo tempo que um floco de neve em Minnesota e eles sejam iguais.
Para considerar isso cientificamente, temos que saber o que entra em um floco de neve e quão provável ou improvável é que teremos dois iguais.
Um floco de neve, fotografado sob um microscópio óptico normal. Crédito da imagem: usuário do flickr Michael, via https://www.flickr.com/people/39998519@N00 .
Um floco de neve, em sua essência, são apenas moléculas de água que se unem em uma configuração sólida particular. A maioria dessas configurações tem algum tipo de simetria hexagonal; isso se deve às maneiras pelas quais as moléculas de água com seus ângulos de ligação particulares – definidos pela física de um átomo de oxigênio, dois átomos de hidrogênio e a força eletromagnética – podem se unir. O cristal de neve microscópico mais simples que pode ser visto através de um microscópio tem cerca de um milionésimo de metro de diâmetro (1 µm) e pode assumir uma forma muito simplista, como um cristal de placa hexagonal. Isso tem apenas aproximadamente 10.000 átomos de diâmetro, e há muitos que parecem iguais.
Os flocos de neve exibem uma simetria hexagonal clássica, conhecida há muito tempo. Esta coleção de fotografias de flocos de neve data de 1902. Crédito da imagem: Wilson Bentley, 1902, do Resumo Anual da Revisão Mensal do Tempo de 1902.
De acordo com o livro de recordes mundiais do Guinness, Nancy Knight, cientista do Centro Nacional de Pesquisa da Atmosfera, descobriu por acaso dois exemplos idênticos de flocos de neve enquanto estudava cristais de neve de uma tempestade em Wisconsin em 1988 , usando um microscópio. Mas quando o Guinness certifica dois flocos de neve como idênticos, eles só podem significar que são idênticos à precisão do microscópio; quando a física exige que duas coisas sejam idênticas, elas significam idênticas até a partícula subatômica! Que significa:
- Você precisa das mesmas partículas exatas,
- Na mesma configuração exata,
- Com os mesmos laços entre eles,
- Em dois totalmente diferentes macroscópico sistemas.
Vamos examinar o que seria necessário para chegar lá.
Um único floco de neve, fotografado por Michael Peres do RIT. Crédito da imagem: Michael Peres / Instagram, via https://www.instagram.com/p/BPAGPzRBpCd/?taken-by=michael_peres .
Uma única molécula de água é um átomo de oxigênio e dois átomos de hidrogênio unidos. Quando as moléculas de água congeladas se unem, cada molécula recebe quatro outras moléculas de água ligadas perto dela: uma em cada um dos vértices tetraédricos centrados em cada molécula individual. Isso faz com que as moléculas de água se empacotam em uma forma de treliça: uma treliça de cristal hexagonal. Mas grandes cubos de gelo em forma de prisma, como você vê quando olha para um depósito de quartzo, são extremamente raros. Uma vez que você ultrapassa as menores escalas e configurações, você descobre que os planos superior e inferior desta rede estão muito próximos e ligados: você obtém faces planas em dois dos lados. Pelo contrário, os lados restantes têm suas moléculas muito mais expostas e, portanto, como as moléculas de água adicionais se ligam a elas são muito mais arbitrárias. Em particular, os cantos hexagonais têm as ligações mais fracas, e é por isso que parece haver uma simetria de seis vezes na forma como os cristais hexagonais crescem.
A formação e crescimento de um floco de neve, uma configuração particular de cristal de gelo. Crédito da imagem: Vyacheslav Ivanov, de seu vídeo no Vimeo: http://vimeo.com/87342468 .
As novas estruturas crescem nesse mesmo padrão simétrico, novamente crescendo assimetrias hexagonais quando um certo tamanho é atingido. Um cristal de neve grande e complexo tem centenas de características facilmente discerníveis quando vistas através de um microscópio. Centenas de recursos que você pode ver… e aproximadamente 10¹⁹ moléculas de água que compõem seu floco de neve típico, de acordo com Charles Knight no Centro Nacional de Pesquisa Atmosférica. Para cada um desses recursos, existem literalmente milhões de locais viáveis nos quais uma nova filial pode se formar. Então, quantos desses novos recursos poderiam formar um floco de neve e ainda ter um idêntico em algum lugar, em algum momento?
https://www.youtube.com/watch?v=GlQVkZA5j-A
A cada ano, em todo o mundo, aproximadamente 10¹⁵ (um quatrilhão) de pés cúbicos de neve caem em algum lugar da Terra, com cada pé cúbico contendo aproximadamente alguns bilhões (10⁹) de flocos de neve individuais. Como a Terra existe há aproximadamente 4,5 bilhões de anos, existem cerca de 10³⁴ flocos de neve que caíram na história do planeta Terra. Estatisticamente, o número de características de ramificação individuais, únicas e simétricas que um floco de neve poderia ter e esperar ter um gêmeo em algum momento da história da Terra? Apenas 5 . Ao passo que os flocos de neve naturais, maduros e reais, normalmente têm centenas.
Mesmo no nível de um milímetro, as imperfeições nos flocos de neve podem ser vistas, assim como a dificuldade em duplicar exatamente um. Crédito da imagem: Laboratório de Microscopia Eletrônica e Confocal, Serviço de Pesquisa Agrícola, Departamento de Agricultura dos EUA.
É apenas se você considerar os flocos de neve menores e em estágio inicial que você pode ter dois idênticos. E se você estiver disposto a descer a um nível molecular, a situação fica muito pior. Normalmente, o oxigênio tem 8 prótons e 8 nêutrons, enquanto o hidrogênio tem um próton e 0 nêutrons. No entanto, cerca de 1 em cada 500 átomos de oxigênio tem 10 nêutrons, enquanto 1 em 5.000 átomos de hidrogênio tem 1 nêutron em vez de 0. Nesse ritmo, mesmo se você tivesse um cristal de neve perfeitamente hexagonal e fizesse aproximadamente 10³⁴ cristais de neve ao longo da história do planeta Terra, você só precisaria atingir um tamanho de alguns milhares de moléculas, ou um floco de neve com apenas 0,01 mícrons de diâmetro. (menor que o comprimento de onda da luz visível) para chegar a uma estrutura única que o planeta nunca tinha visto antes.
Um cristal de neve hexagonal com aro, sob um microscópio eletrônico, mostra as incríveis complexidades e imperfeições em sua estrutura que nunca podem ser replicadas em nível molecular. Crédito da imagem: Laboratório de Microscopia Eletrônica e Confocal, Serviço de Pesquisa Agrícola, Departamento de Agricultura dos EUA.
Mas se você estiver disposto a ignorar as diferenças atômicas e moleculares e você está disposto a renunciar ao natural, você tem uma chance. Cientista do floco de neve Kenneth Libbrecht da Caltech desenvolveu uma técnica para criar flocos de neve gêmeos idênticos artificiais e fotografá-los com um microscópio especial que ele apelidou de SnowMaster 9000.
Ao cultivá-los lado a lado em condições de laboratório específicas, ele mostrou que é possível criar dois flocos de neve indistinguíveis.
Dois cristais de neve quase idênticos cultivados em condições de laboratório na Caltech. Crédito da imagem: Kenneth Libbrecht / Caltech / SnowMaster 9000.
Tipo de. Eles são indistinguivelmente diferentes de um humano olhando com olhos humanos através do microscópio, mas não são verdadeiramente idênticos. De fato, assim como gêmeos idênticos, eles têm muitas diferenças: eles têm diferentes locais de ligação molecular, têm propriedades de ramificação ligeiramente diferentes e, quanto maiores, mais pronunciadas essas diferenças se tornam. É por isso que esses flocos de neve são mantidos pequenos e o microscópio é tão poderoso: eles são mais idênticos quando são menos complexos.
Dois flocos de neve idênticos, quase, cultivados em condições de laboratório na Caltech. Crédito da imagem: Kenneth Libbrecht / Caltech / SnowMaster 9000.
No entanto, muitos flocos de neve múltiplos são iguais, pois são muito parecidos entre si. Mas se você estiver procurando por algo realmente idêntico, em nível estrutural, molecular ou atômico, a natureza nunca o levará até lá. O número de possibilidades não é apenas grande demais para a história da Terra, mas para a história de todo o Universo. Se você quisesse saber quantas Terras você precisaria para ter a chance de dois flocos de neve idênticos na história de 13,8 bilhões de anos do Universo, a resposta é algo em torno de 10¹⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰⁰. Considerando que existem apenas cerca de 10⁸⁰ átomos em todo o Universo observável, é bastante improvável. Para o melhor que podemos dizer, os flocos de neve são realmente únicos.
Envie suas perguntas Ask Ethan para beginwithabang no gmail ponto com .
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