Hogyan építsünk hópelyhet?

Két matematikus első alkalommal készített egy valósághű háromdimenziós hópelyheket előállító számítógépes szimulációt - ami a fizikusok szerint nem is működhetne.

"Meglepően keveset tudunk a jégkristályok kialakulásáról" - nyilatkozott Ken Libbrech, a Caltech fizikusa, akit a hókristály fizikájának vezető szakértőjeként tartanak számon. A terület nem hangzik különösebben jelentősnek, azonban ha sikerülne megfejteniük a folyamatot, az sok új adattal járulna hozzá a természet "önmagukat összerakó" komplex szerkezeteiről szerzett ismereteinkhez. Ez az a trükk, amit az utóbbi években egyre nagyobb előszeretettel próbálnak elsajátítani a nanotechnikák alkalmazói.


Egy eredeti hókristály Libbrech fotógyűjteményéből
Janko Gravner, a Kalifornia Egyetem, valamint David Griffeath, a Wisconsin-Madison Egyetem matematikusai kikerülték a korábban alkalmazott megközelítést, a hókristályok molekulánkénti felépítését. Helyette a vízmolekuláknál jóval nagyobb virtuális 3D-s sejteket alkalmaztak, melyek ugyanazon fizika szerint viselkednek, mint ami elvileg a kristályok növekedését vezérli.

A virtuális sejtek - amiket a matematikusok celluláris automatáknak neveztek el - egy köbmikron méretűek, ami nagyjából egy porszemnek felel meg. Ezen a méreten a sejtek a vízpára és a kristályos növekedés fizikáját utánozzák. A kutatók ezután többször lefuttatták a modellt, különböző hőmérsékleti és páranyomási beállításokkal. Eredményként a hókristályok igen széles körét kapták, beleértve a bonyolult és egyben lenyűgöző hatoldalú csillagkristályt. Minden egyes kristály kiszámításához nagyjából 24 órára volt szükség egy erőteljes asztali számítógépen, mondta Gravner. "Egyes formákat könnyebb megkapni, mint másokat" - nyilatkozta a Discovery Newsnak. A modell gyakorlatilag visszatükrözte a természet munkáját, az egyszerűbben előállítható kristályok előfordulása a természetben is gyakoribb.


Gravner és Griffeath szimulációjának az eredménye
A matematikusok munkáját nagy előrelépésnek tartják. Sokan próbálkoztak valósághű hópelyhek előállításával, a kísérleteket azonban igen kevés siker övezte. Bár egy darabig eljutottak a kristályok fejlődésében, volt azonban egy pont, amin túl már egyáltalán nem hasonlítottak a modellek a valósághoz. Libbrecht szerint valószínűleg ekkor már túl sok számítási hiba gyűlt fel, tönkretéve a szimulációkat.

Az egész projektben az a legérdekesebb, hogy sikerült, tette hozzá Libbrecht, mivel a Gravner és Griffeath által a modellbe programozott fizika részletei nincsenek igazán összhangban azokkal, amit ő és más fizikusok a hókristály formálódáshoz társítanak. Ez azt jelentheti, hogy a fizikusok tévednek, vagy van valami a modellezésben, ami lehetővé teszi a működést a fizikai tényezők ellenére, így a fizikusok egy újabb kis rejtélyt is kaptak a sikeresnek tűnő szimuláció mellé.