Қар түйіршіктерінің құрылысын кім зерттеген

Табиғат дүниені бір қарағанда қарапайым көрінетін, бірақ артында шексіз күрделілікті жасырған құбылыстарға мол қиырсыз. Қар — осындай құбылыстардың бірі: ол бізді әр қыста қоршап, таныс та күнделікті болып келеді, алайда әрбір жеке қар кристалы басқа ешбір кристалда қайталанбайтын табиғи өнердің туындысы болып табылады. Осы ұсақ мұздың қалай құрылғаны және неліктен дәл алтыбұрышты пішін алатыны туралы сұрақ ғалымдардың ойын ғасырлар бойы алаңдатты. Ақ қарлы үлпектердің сыртқы қарапайымдылығының астарында ғылыми іздестірудің тұтас тарихы жатыр, оған философтар, астрономдар, физиктер және шынайы әуесқойлар қатысты — олардың әрқайсысы осы нәзік кереметті түсінуге өз үлесін қосты.

Алғашқы бақылаушылар: Қытайдан Еуропаға дейін

Қар кристалдарына деген қызығушылық микроскоптар мен физикалық теориялар пайда болғанға дейін туды. Адамдар олардың дұрыс пішінін жай көзбен байқап, көргенді өзіне қолжетімді табиғат туралы түсініктер аясында ұғынуға тырысты.

Ең ерте айғақтардың ішінен мыналар ерекшеленеді:

• қытайлық ғалым Хань Ин біздің дәуірімізге дейінгі екінші ғасырда қар кристалдарының әрқашан алты бұрышы болатынын жазып қалдырды — бұл осы тақырып бойынша бізге жеткен ең ежелгі жазба деректердің бірі;
• парсы ақыны мен ойшылы Омар Хайям он бірінші ғасырда табиғат туралы жазбаларында мұз кристалдарының алтыбұрышты симметриясын атап өтті;
• Орта ғасырдың еуропалық натуралистері қар кристалдарын тек табиғи безендіру ретінде қарастырды, геометриясының себептері туралы сұрақ қоймады.

Бұл ерте бақылаулар сипаттамалық сипатта болды және ешқандай түсіндірме ұсынбады. Нақты ғылыми пайымдау тек тынымсыз талпыныс пен ғылыми тәсілмен қаруланған адамдар іске кіріскенде ғана басталды.

Иоганн Кеплер — қар кристалының алғашқы теоретигі

Қар кристалының құрылымын түсіндірудің алғашқы маңызды ғылыми әрекетін неміс астрономы Иоганн Кеплер 1611 жылы жасады. Оның «Алтыбұрышты қар туралы» деген шағын трактаты осы кристалдарды зерттеу тарихындағы нақты бетбұрыс сәті болды.

Кеплер бұрын ешкім сондай нақты тұжырымдамаған сұрақты қойды — неліктен қар кристалының дәл алты сәулесі бар, бес немесе сегіз емес. Сол кездегі натурфилософия аясында пайымдай отырып, ол себептің ең ұсақ шарикшелердің тығыздалған орналасуында жатқанын болжады — аралардың ұяшықтар тұрғызуымен ұқсастықты пайдалана отырып. Бұл идеяны дәлелдеу мүмкіндігі болмады, Кеплердің өзі де өз пайымдауының болжамды болып қалатынын адал мойындады. Дегенмен дәл ол сұрақты қатаң ғылыми тұрғыда тұжырымдады және осылайша келесі зерттеуші ұрпақтар жалғастырған дәстүрге негіз салды.

Кеплер трактатының маңыздылығын бірнеше себеппен асыра бағалау қиын:

• ол алғаш рет қар кристалына эстетикалық таңданудан оны рационалды түсіну ұмтылысын бөліп шығарды;
• трактат табиғаттағы симметрия мәселесін дербес ғылыми сұрақ ретінде алға тартты;
• шарлардың тығыздалған орналасуы туралы пайымдаулар физиктер мен математиктер тек үш ғасырдан кейін дамытатын идеяларды алдын ала болжады.

Кеплер ғылымға дұрыс сұрақ сыйлады — бұл жауап табудан кем емес еңбек.

Рене Декарт және алғашқы суреттер

Келесі маңызды қадамды 1635 жылы Голландияда сапар шегу кезінде қар кристалдарын бақылаған француз философы мен ғалымы Рене Декарт жасады. Ол жай қар жауып тұрғанын тамашалап қоймай, жеке кристалдарды мүмкіндігінше дәл бейнелеуге тырысып, жүйелі түрде суреттеді.

Декарт таныс алтыбұрышты жұлдызшалар ғана емес, бағаналар, пластиналар және күрделірек құрама пішіндер де бар бірнеше ондаған кристал түрін сипаттап, суреттеді. Оның суреттері «Метеорлар» атты еңбекке енді — атақты «Әдіс туралы пайымдаудың» қосымшасына. Атап айтқанда, француз ойшылы кристалдар пішіндерінің алуантүрлілігін алғашқылардың бірі болып тіркеді, ал оның алдындағылар қар кристалдарын біртекті нәрсе ретінде қабылдады.

Декарттың үлесі бірнеше себеппен маңызды болды:

• ол қар кристалдары туралы ғылымға дәл көрнекі құжаттау тәсілін енгізді;
• оның суреттері кейіннен кристалдардың әртүрлі түрлерін салыстыруға және заңдылықтарды анықтауға мүмкіндік берді;
• «Метеорлар» қар кристалдары жүйелі зерттеу нысаны ретінде қарастырылған алғашқы баспа басылымына айналды.

Декарттың жұмысы қар кристалдарының бұрын ойлағаннан әлдеқайда алуантүрлі екенін көрсетті және осылайша ғылым алдына жаңа міндеттер қойды.

Роберт Гук және қарды зерттеуге жұмсалған микроскоп

Қар кристалдарын бақылаудағы нақты серпіліс ағылшын ғалымы Роберт Гук оларды зерттеуге микроскоп қолданғаннан кейін мүмкін болды. 1665 жылы ол «Микрография» атты кітапты жариялады — көзге көрінбейтін әлемнің егжей-тегжейлі суреттемелерімен ғылыми ортада үлкен дүрбелең тудырған еңбек.

Гук микроскоп линзаларының астына қар кристалдарын қойып, оның алдындағылардың ешқайсысы сурет арқылы бейнелей алмаған нәзік құрылымдарды көрді. Ол кристалдардың тармақталуын, олардың симметриялы құрылымын сипаттады және әрбір тармақтың тұтастың пішінін қайталайтынын атап өтті — бұл идеяны қазіргі ғылым өздігіне ұқсастық немесе фрактал деп атайды. Жұмыстың қиындығы орасан болды — қар кристалдары суретші қолы қимылдап үлгергеннен де тез қол мен дем жылуынан ериді.

Гуктің осы саладағы жетістіктері бірнеше маңызды аспектіні қамтыды:

• кристалдардың егжей-тегжейлі гравюралары қар кристалдарының схемалық бейнесі емес, нақты құрылымын көрсетті;
• ол жай көзге қолжетімсіз тармақтардың нәзік ішкі құрылымын тіркеді;
• «Микрография» натуралистердің келесі ұрпағын қарды зерттеу үшін оптикалық аспаптар пайдалануға шабыттандырды.

Гук көзге көрінбейтінді көрінетін етті — және осылайша мұз кристалдарының табиғатын түсінудің жаңа тарауын ашты.

Уилсон Бентли — өмірін қар кристалдарына арнаған адам

Қар кристалдарының ең толық және жүйелі фотодеректемесін Вермонт штатынан шыққан өзбетінше білім алған американдық фермер Уилсон Элвин Бентли жасады. Оның тарихы бір адамның шынайы құмарлығының ғылыми және мәдени феноменге айналуының сирек мысалы.

1885 жылы, он тоғыз жасында, Бентли микроскопты фотокамерамен біріктіре отырып, қар кристалын алғаш рет суретке түсірді. Келесі қырық алты жылды ол кез келген боранда, кристалдардың еріп кетпеуі үшін тікелей аязда жұмыс істей отырып, қар кристалдарын суретке түсіруге жұмсады. Осы уақыт ішінде оған бес мыңнан астам бірегей сурет — ғылым тарихында баламасы болмаған мұрағат — жасауға мүмкіндік туды.

Бентлидің ғылыми және мәдени мұрасын бірнеше негізгі жетістік арқылы сипаттауға болады:

1. Фотографиялық құжаттау тәсілі. Бентли кристалдық құрылымның ең нәзік бөлшектерін жеткізуге мүмкіндік беретін табиғи жарықта микроскоп арқылы түсіру техникасын өзі жасап шықты. Оның тәсілі қар кристалдарының кейінгі барлық зерттеушілері үшін үлгіге айналды. Алдындағылардың ешқайсысы да мұндай егжей-тегжейліктің және деректеме ауқымының үйлесімін қол жеткізе алмады.
2. Әрбір қар кристалының бірегейлігін дәлелдеу. Мыңдаған суретті салыстыра отырып, Бентли олардың арасында бірдейі жоқ екенін көрсетті. Бұл байқау бұқаралық мәдениеттің бір бөлігіне айналды және қар кристалдарының қайталанбастығы туралы атақты сөзді тудырды. Бұл фактінің қатаң ғылыми негіздемесін кейіннен мұз кристалдарының мүмкін конфигурацияларының ғажайып санын есептеген физиктер берді.
3. «Қар кристалдары» кітабы. 1931 жылы Бентли метеоролог Уильям Хамфриспен бірлесіп, 2453 кристал фотосуретін қамтитын кітап шығарды. Ол ғылыми-танымал әдебиеттің классикасына айналды және бүгінгі күнге дейін қайта басылып шығарылуда. Бұл кітап авторының қайтыс болған жылы жарық көрді — Бентли 1931 жылы желтоқсанда боран кезіндегі кезекті фотосессияда суық тиіп, пневмониядан дүниеден өтті.

Бентли «Қар кристалы» деген лақап атқа ие болды — Snowflake Bentли — және бір іске адал берілгендік ұзаққа қалатын нәрсе жасай алатынын дәлелдеген тұлғаның символына айналды.

Укитиро Накая және кристалдар физикасы

Жапон физигі Укитиро Накая келесі сапалық қадам жасады — ол қар кристалдарын жай суретке түсіріп қоймай, қандай жағдайда қандай кристал түрі пайда болатынын анықтады. Хоккайдо университетінде 1930-1950 жылдары жүргізілген оның зерттеулері қар туралы қазіргі ғылымның негізін қалады.

Накая зертханалық жағдайда жасанды қар кристалдарын алғаш өсірді: қоян түктерін температура мен ылғалдылығы бақыланатын камераға орналастырды. Бұл оған орта параметрлерін жүйелі түрде өзгертуге және кристалдың пішінінің әрбір өзгеріске қалай жауап беретінін бақылауға мүмкіндік берді. Нәтижесінде атақты «Накая диаграммасы» пайда болды — температура мен ылғалдылықтың белгілі бір үйлесімінде қандай қар кристалы түрі пайда болатынын көрсететін схема.

Жапон физигінің негізгі тұжырымдары мынадан тұрады:

• Цельсий бойынша шамамен -2 градус температурада жіңішке пластиналы кристалдар пайда болады;
• неғұрлым төмен температурада — шамамен -5 градус — бағаналар мен инелер өседі;
• классикалық алтысәулелі жұлдызшалар жоғары ылғалдылықта -12-ден -16 градусқа дейінгі температурада негізінен қалыптасады;
• күрделі тармақталған пішіндер қар кристалы ұшу кезінде әртүрлі жағдайлары бар ауа қабаттарынан өткенде пайда болады.

Дәл Накая қар кристалы туралы бір мезгілде поэтикалық және дәл сөзді тұжырымдады: ол өскен жағдайлар туралы ақпаратты өз пішінінде жеткізетін «аспаннан хат» болып табылады.

Қар кристалдары туралы қазіргі заманғы ғылым

Бүгінгі күні қарлы кристалдарды зерттеу сипаттамалық ғылымның шектерінен әлдеқайда асып кетті. Физиктер, химиктер және материалтану мамандары қар кристалдарына заманауи талдаудың ең қуатты аспаптарын қолданады.

Калифорния технологиялық институтының американдық физигі Кеннет Либбрехт біздің заманымыздың қар кристалдарын жетекші зерттеушісі болып саналады. Ол кристалдар пішіндерінің өте егжей-тегжейлі атласын жасады, Накая диаграммасын жетілдірді және қар кристалдарының өсуінің математикалық үлгілерін жасап шықты. Либбрехт сондай-ақ берілген пішіндегі жасанды кристалдарды өсіруді үйренді, бұл оптикадан материалтануға дейін ең күтпеген қолданыстар үшін перспективалар ашады.

Қазіргі заманғы зерттеулердің бағыттары бірнеше салаларды қамтиды:

• кристалдардың өсуін компьютерлік модельдеу нақты қар кристалдарын жоғары дәлдікпен қайта жасауға мүмкіндік береді;
• рентгенқұрылымдық талдау мұздың ішкі торын атомдық деңгейде зерттеуге мүмкіндік береді;
• қар жамылғысының акустикалық қасиеттерін зерттеу көшкін қауіпсіздігі үшін практикалық маңызға ие;
• қар кристалдарын зерттеу берілген кеуекті құрылымы бар жаңа материалдарды жасауға көмектеседі.

Ғалымдардың әрбір жаңа буыны қар кристалдарынан алдындағылар байқамаған жаңа қырларды ашады.

Қар кристалдарын зерттеу тарихы — миниатюрадағы ғылымның өзінің тарихы, мұнда ғасырлық бақылаулардан кейін теориялар, теориялардан кейін тәжірибелер, ал тәжірибелерден кейін жаңа сұрақтар туындайды. Ұсақ мұз кристалы ежелгі қытай шежірелерінен бастап жиырма бірінші ғасырдың компьютерлік симуляцияларына дейін зерттеушілердің назарын ұстай алатындай бай нысан болып шықты. Шешуші үлесті тек кәсіби ғалымдар ғана емес, табиғатқа таза таңданумен толы адамдар да қосқаны ерекше назар аударарлық — бұл шынайы білім нақты қызығушылық болатын жерде туатынын тағы бір рет дәлелдейді. Қар кристалы бүгінгі күнге дейін жауапсыз сұрақтарды сақтайды — бұл жағдайдың өзі біз әлі де тек бастап жатқан дүниенің таусылмастығы туралы айғақтайды.