אנו נמצאים בעידן בו מדענים יכולים לגלות את החלקיקים הזעירים ביותר, המאפשרים אטומים למסה, והם בודקים כמה מן התעלומות העמוקות ביותר של הביולוגיה, כגון כיצד ניתן לעבור חוויות וזכרונות דרך הגנים של האורגניזם.
לפיכך, זה עשוי להפתיע שאנחנו עדיין לא מבינים את המכניקה של תופעת טבע פשוטה יחסית: שלג.
היווצרות פתיתי שלג - למעשה, הדרך האידיוסינקרטית שבה מתגבשים מים כאשר הם מושעים באווירה שלנו - היא תהליך מורכב ביותר שעדיין לא תואר במלואו על ידי נוסחאות מדעיות. "אנשים חושבים שפתית שלג היא רק טיפת גשם קפואה", אומר פרופסור לפיזיקה בקלטק, קנת ליבברכט, שבילה בעשורים האחרונים בחקר התהליך של היווצרות פתיתי שלג. "אבל זה גשם, רק קוביות קרח קטנות, ואפילו לא קרובות למה זה פתית שלג."
פתית שלג צומחת במעבדה של ליבברכט, מואצת
במהלך מחקריו, עבודתו של ליבברכט גדלה והקימה אמנות ומדע. הוא הפיק מאמרים מדעיים וגם מאות תמונות יפהפיות של פתיתי שלג טבעיים (שפרסם בכמה ספרים שונים והציג בולים של ארה"ב), וכן תכנן דרכים גאוניות לגדל פתיתי שלג באופן מלאכותי במעבדה כדי ללמוד את התהוותם בפרטים מיקרוסקופיים.
אבל הכל התחיל, הוא אומר, בטיול חזרה לבית ילדותו בצפון דקוטה. "ביקרתי שם אצל משפחתי ויצאתי החוצה והיה כל השלג הזה על האדמה", הוא אומר. "פתאום חשבתי 'למה אני לא מבין יותר על פתיתי השלג האלה?'"
זה הוביל את ליבברכט להתחיל ללמוד את הדינמיקה של היווצרות פתיתי שלג במעבדתו, בין לחקור נושאים אזוטריים נוספים כמו לייזרי דיודה מסתובבים והרעש שמשתחררים על ידי סופרנובות. "הבנתי שהרבה על פתיתי שלג פשוט לא מובן היטב, ושהקרח הוא חומר לא יקר לעבוד איתו", הוא אומר.
היווצרות של אפילו פתית שלג יחידה היא אירוע מורכב ברמה המולקולרית. בטבע זה מתחיל כאשר אדי המים של הענן מתמצאים בטיפות מים. עם זאת, אפילו בטמפרטורות שמתחת לקפוא, רוב הטיפות הללו נשארות בדרך כלל בנוזל, מכיוון שהן זקוקות לחלקיק שעליו להקפיא: חלקיק אבק או מעט מולקולות מים שהסדרו את עצמן למטריקס המשושה המאפיין קרח.
עם זאת, ברגע שטיפות מתחילות להתגבש על חלקיק מרכזי, התהליך מאיץ במהירות. עם גרעין גביש במקום, מולקולות המים הקוררות העל בטיפות המים הסובבות מתעבותות בקלות על גבי הגביש, ומוסיפות לצמיחתו באופן גיאומטרי רגיל. עד שהגביש הגדול (שאנו מכנים פתית שלג) עזב את הענן, ליבברכט מעריך כי הוא יטפט את המים מכ- 100, 000 טיפות סמוכות.
כל זה אולי נשמע פשוט, אך כפי שגילו ליבברכט ומדענים אחרים, שינויים קלים בנסיבות הגבישים הללו - לחות הענן וטמפרטורתם, בתור התחלה - יכולים להוביל לפתיתים במראה שונה. כדי להבין טוב יותר את הדינמיקה הזו, הבין ליבברכט, הוא זקוק לדרך להתבונן בתהליך הגידול בפועל של פתיתי שלג. בלי דרך להטביע את עצמו בענן צף, הוא החליט לפתח שיטה לגידול פתיתי שלג באופן מלאכותי במעבדתו בקליפורניה.
"לגרום לקריסטל לגדול באופן כזה שהוא נראה כמו פתית שלג זה לא קל", הוא אומר. "אם אתה רוצה כפור - רק חבורת גבישים שכולם צומחים בבת אחת - זה די פשוט, אבל גבישים בודדים הם מסובכים יותר."
התהליך של ליבברכט, שפותח במהלך השנים האחרונות, נעשה בתא קר ואורך כ 45 דקות בסך הכל. הוא מתחיל בחתיכת זכוכית נקייה לחלוטין, ומפיץ עליו גבישי קרח מיקרוסקופיים רבים. בעזרת מיקרוסקופ הוא מבודד גביש מסוים ואז מניע אוויר חם ולח מעט על הזכוכית. אדי המים מתעבים על גבי גביש הזרע, ממש כמו בענן אמיתי, ויוצרים בסופו של דבר פתית שלג גלויה.
בעבודה עם תהליך זה, ליבברכט קבעה את רמות הטמפרטורה והלחות המובילות לכל סוג מסוים של פתית שלג. "אני קורא להם 'פתיתי שלג מעצבים', מכיוון שאתה יכול לשנות את התנאים כשאתה מגדל אותם ולחזות איך הם ייראו, " הוא אומר. בין השאר הוא מצא שפתית שלג עם קצה דק צומחת מהר יותר, וגורמת לקצה להתחדד עוד יותר, ובסופו של דבר מוביל לפתית גדולה יחסית. פתיתי שלג המתחילים בקצוות בוטים, לעומת זאת, צומחים לאט יותר ונשארים בוטים, מה שמוביל למנסרות חסומות, ולא לצלחות אלגנטיות.
בסופו של דבר, כאשר ליבברכט רצה לפרסם ספר על יצירתו, הוא גילה שלמרות שהם היו טובים לתקופתם, רוב התמונות של פתיתי השלג שהיו זמינים לא היו מעודכנות, כמו התמונות שצילם וילסון בנטלי בשנות השלושים. בתגובה, הוא החל לצלם אותם בעצמו ברזולוציה גבוהה, השתמש בציוד מיוחד ולפעמים אורות צבעוניים כדי לתת לפתיתים הצלולים צבע ועומק מוגברים.
מה עם הרעיון הנפוץ כי אין שני פתיתי שלג זהים? "כולם תמיד שואלים אותי את זה", אומר ליבברכט.
התשובה, מסתבר, היא בעיית מתמטיקה. אם אתה מגדיר פתית שלג כעשר מולקולות של מים, ייתכן ששני פתיתים שונים זהים ברמה המולקולרית. אבל לגבי פתית בגודל מלא, הוא אומר, לא סביר מאוד שתסיים שני זהים המופיעים באופן טבעי - באותה צורה שבה הסיכויים לשתי טביעות אצבעות אנושיות זהות הם קטנים מדי. "ברגע שמתחילים לעשות דברים אפילו מעט יותר מסובכים, מספר האפשרויות גדל אסטרונומית, וההסתברות אפילו להחזיק שני פתיתי שלג שנראים זה לזה מרוחקת יורדת לאפס", הוא אומר.
