Kenneth Librecht Interview: Eine große einheitliche Theorie der Schneeflocken

von Joshua Hojigo

Schneefall in Pasadena, Kalifornien, ist so selten, dass es fast unbekannt ist. Außer im Caltech, wo Kenneth Liebrecht es mit der weltweit fortschrittlichsten Ausrüstung zur Schneeflockenherstellung zaubern kann.

Als Physiker hat Liebrecht einige ziemlich epische Fragen angepackt, wie die Natur von Gravitationswellen und die inneren Mechanismen der Sonne. Aber er hat auch eine entzückende Fußnote zur Wissenschaft der Schneeflocken, die viel komplexer und mysteriöser ist, als Sie vielleicht denken. Eine der größten unbeantworteten Fragen ist, warum es anscheinend zwei verschiedene Arten gibt.

Liebrecht begab sich auf eine 20-jährige Reise, um dieses Rätsel zu lösen. Die Früchte dieser Reise hat er kürzlich in Form einer über 500 Seiten umfassenden Monographie veröffentlicht. Es enthält eine Art große vereinheitlichte Theorie der Schneeflocken, die zum ersten Mal erklärt, wie und warum sie genau in der Form wachsen, die sie haben.

Joshua Haugego: Was hat Ihr Interesse an Schneeflocken geweckt?

Kenneth Liebrecht: Eines Tages kaute ich mit einem meiner Studenten Fett und wir unterhielten uns darüber, wie Kristalle wachsen und Gestalt annehmen. Wir begannen darüber nachzudenken, was wir in diesem Bereich studieren könnten, und ich dachte: Nun, Wasser wird billig und einfach sein. Dann dachte ich: Eigentlich wäre das die Physik von Schneeflocken, ich frage mich, wie das funktioniert? Schürze aus dem Nichts – ich war nur neugierig – habe angefangen über Schneeflocken zu lesen und fand es echt cool.

„Ich kann die Knöpfe drehen, um die genauen Bedingungen zu steuern, damit ich maßgeschneiderte Schneeflocken bekomme.“

Was ist die große Frage zu Schneeflocken?

Die Standard-Schneeflocken, die Sie in Weihnachtsdekorationen sehen – sechszackig, dünn und flach – nun, das ist nicht immer ihre Form. Zusätzlich zu den dünnen, sechseckigen Platten können sie zu langen, sechseckigen Säulen wachsen, wie die Form eines Bleistifts in Miniatur. In Japan wurde in den 1930er Jahren entdeckt, dass sich diese beiden Schneeflockenformen bei unterschiedlichen Temperaturen bilden würden. Bei etwa -2°C bilden sich Platten, bei etwa -5°C Säulen und bei etwa -15°C wieder Blätter. Es ist so ein verrücktes Muster, dass es so hin und her pendelt. Ich wollte wirklich wissen, warum das passiert ist, aber es stellte sich heraus, dass es keine Antwort gab – es war ein völliges Rätsel.

Wie sind Sie diesem Rätsel auf den Grund gegangen?

Ich entschied, dass der Weg zur Beantwortung dieser Frage darin bestand, systematisch viele Schneeflocken unter verschiedenen Bedingungen zu züchten und ihr Wachstum zu messen. Das war vor 20 Jahren, und mehrere Jahre lang hatte ich Probleme und kam nicht voran. Ich fand schließlich heraus, dass die ganze Erfahrung in eine Schachtel gesteckt werden musste. Sie fügen Wasserdampf hinzu, aber die Bedingungen wie Temperatur und Druck müssen sorgfältig kontrolliert werden. Ich habe all diese kleinen Stäbchen in der Kiste, mit denen ich Dinge an- und abdrücke. Dann konnte ich Kristalle züchten – ich züchtete oft Kristalle, die kleiner als die Breite eines menschlichen Haares waren, und untersuchte sie dann unter einem Mikroskop. Wenn es zu groß wird, ist seine Form zu komplex, um es einfach zu studieren.

Ich habe vor kurzem veröffentlicht, was die Große Einheitliche Theorie der Schneeflocken genannt wird.

Die Menschen haben immer geglaubt, dass ein Kristall, der eine flache Oberfläche hat, unter bestimmten Bedingungen immer auf die gleiche Weise wächst. Ich habe herausgefunden, dass die Oberflächengröße bei Schneeflocken sehr wichtig ist. Stellt man sich eine plattenförmige sechseckige Schneeflocke vor, hat sie zwei breite Flächen und dann sechs viel dünnere am Rand. Es stellt sich heraus, dass dünnere Platten viel schneller wachsen als breite, und dies erzeugt einen Beschleunigungseffekt, bei dem Sie immer dünnere Platten erhalten. Das Coole daran ist, dass sich dieser Trend umkehrt – bei bestimmten Temperaturen wachsen die breiteren Oberflächen schneller, sodass man säulenartige Kristalle erhält.

Um dies vollständig zu verstehen, müssen Sie sich mit den Details der molekularen Struktur der Oberfläche eines Eiskristalls befassen und wie sie sich mit der Temperatur auf verschiedenen Oberflächen ändert. Bisher scheint mein Modell zu allen Daten zu passen, daher ist es ermutigend, dass zumindest ein Teil des Rätsels gelöst wurde.

Sagt uns Ihre Arbeit etwas darüber, wie Schnee auf anderen Welten aussieht, wie zum Beispiel auf Saturns Eismond Enceladus?

Die Diffusion von Wassermolekülen durch die Luft beeinflusst das Wachstum von Schneeflocken auf eine Weise, die molekulare Effekte verstärkt, um die dünnen Kanten zu erzeugen, die in hohlen plattenartigen Kristallen und Säulen erscheinen. Wenn ich Kristalle in der Leere züchte, passiert nichts davon. Also, ja, es wird Unterschiede im Schnee auf anderen Planeten geben. Wenn keine Atmosphäre vorhanden ist, erhalten Sie klumpige Kristalle, aber bei hohem Druck erhalten Sie unglaublich dünne Kristalle. Natürlich kann die Atmosphärenchemie dies auch auf schwer vorhersehbare Weise verändern.

Ich habe auch identische Schneeflocken gezüchtet. Ich dachte, das sollte unmöglich sein.

Das begann, als ich schon früh in meinem Schneeflockengeschäft feststellte, dass es keine guten Videos zum Thema Schneeflockenfarmen gab. Ich wollte einen machen, der einen cool aussehenden Kristall enthielt. Am Ende habe ich herausgefunden, wie man Kristalle auf einer stabilen Unterlage züchtet und fotografiert. Sie sahen viel besser aus als vom Himmel fallende Kristalle. Es war zerbrechlicher, schärfer. Echte Schneeflocken hatten ein ziemlich hartes Leben, fielen durch die Atmosphäre und kollidierten mit anderen Flocken. Sie beginnen auch zu verdunsten, sodass die Kanten immer leicht abgerundet sind.

Im Labor kann ich jedoch an Knöpfen drehen, um die Bedingungen vollständig zu steuern – ich kann die Dinge sogar ein wenig verändern, um die wachsenden Kristalle zu verzweigen – und so Designer-Schneeflocken erhalten. Dann wurde mir klar, dass, wenn Sie Schneeflocken nebeneinander in die Kiste pflanzen und sie gleichzeitig unter denselben Bedingungen pflanzen, sie sehr ähnlich werden. Jeder scheint das Sprichwort gehört zu haben, dass keine Schneeflocken gleich sind, aber dann macht diese verrückte Person ähnliche Schneeflocken.

Welche Fragen bleiben beim Thema Schneeflocken unbeantwortet?

Mein Modell ist sehr kompliziert. Aber es macht viele Vorhersagen und ich möchte sie testen, sehen, was passiert, und hoffentlich das Modell verbessern. Eine Vorhersage ist, dass Schneeflocken nahe ihrem Schmelzpunkt interessante Dinge passieren könnten. Sie sehen möglicherweise das sogenannte Vorschmelzen, bei dem der größte Teil der Schneeflocke aus festen Kristallen besteht, aber an der Oberfläche bleiben die Partikel haften. Ich habe versucht, das zu erforschen. Ich versuche auch, größere Kristalle herzustellen; Ich möchte die größte Schneeflocke der Welt machen. Ohne besonderen Grund… es gibt immer etwas Neues auszuprobieren.

Wenn Sie heutzutage in den Schnee gehen, sehen Sie das in einem neuen Licht?

Ich bin in North Dakota aufgewachsen, wo es sehr kalt ist und wir viel Schnee haben. Früher habe ich sechszackige Sternchips gesehen, große, aber ich kannte nichts von diesen Dingen. Jetzt weiß ich viel besser, wonach ich suche. Ich gehe raus und hole mir einen Blaster und suche nach verschiedenen Arten von Chips – bedeckte Säulen zum Beispiel, die wie eine spezielle Mischung aus Platten- und Säulentypen sind. Ich nenne es Schneeflockenbeobachtung. Das Lustige ist, meine Frau ist Botanikerin, und wenn wir ausgehen, schaut sie sich immer verschiedene Pflanzen an – aber für mich sehen sie alle wie Unkraut aus.

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