Как учёные исследовали и изображали снежинки на протяжении пяти веков

Снежные кристаллы никогда не были самостоятельным предметом серьёзных научных исследований. Но именно наблюдения за снежинками немецкого астронома Иоганна Кеплера в XVII веке заложили основы кристаллографии — науки, которая помогает понять устройство материалов и разработать новые. На протяжении нескольких столетий снежинки попадали на страницы энциклопедий и научных атласов. Способы их изображения менялись с появлением новых средств наблюдения и развитием печатных техник. «Большой музей» показывает, как в разные века изображали снежные кристаллы — и при чём здесь наука.

В 1518–1519 годах шведский картограф и историк, епископ Уппсалы Олаф Магнус путешествовал по северным европейским странам. Лишь cпустя столетия, в начале XX века, в Мюнхенской библиотеке была обнаружена нарисованная Магнусом во время путешествия Carta Marina («Морская карта»), на которой изображён северо-запад восточной Европы, в том числе, западная граница Русского государства. Литературное продолжение карты — «История северных народов», которая на долгое время стала самым авторитетным и популярным трудом об истории Швеции (написанная на латыни в 1555 году, на шведский она была переведена только в 1909-м).

Содержание труда, по традиции того времени, раскрывается в его чрезмерно пространном для современного читателя заглавии: «История о северных народах, об их обычаях и расселении, равно об удивительном различии в нравах, священных обрядах, суевериях, образе жизни и управления, хозяйственном укладе; далее о войнах, жилищах и удивительных вещах; далее о металлах и различных видах животных, которые живут в этих краях».

В «Истории» были и иллюстрации. Например, на виньетке к главе «Формы снега» Олаус Магнус изобразил ледяные кристаллы: правда, такими (или примерно такими) их можно увидеть только при сильном увеличении.

Однажды немецкий астроном Иоганн Кеплер попал в снегопад по дороге к другу, и его карета застряла. В ожидании помощи учёному не оставалось ничего другого, как смотреть на снег. Так он обратил внимание на правильную шестиугольную форму снежинок и решил написать об этом полушуточный трактат-«новогодний подарок» с рассуждением о том, почему снежные кристаллы шестиугольны.

Советский кристаллограф и историк науки Иларион Шафрановский пишет, что в тексте Кеплера «широта подхода при рассмотрении причин образования снежинок, замечательные геометрические обобщения, смелость и остроумие высказанных гипотез» соседствуют с иронией и фантазиями о некоей фантастической «образующей силе, которая находится во внутренностях земли и подобно рождающей жене производит пять правильных геометрических тел в формах драгоценных камней».

Кроме того, в трактате исследователь предположил, что симметричная форма снежинок получается из-за правильного расположения сферических частиц — молекул или атомов — в пространстве, что и изобразил на своих схематических рисунках.

В 1904 году русский ученый-естествоиспытатель Владимир Вернадский назвал труд Кеплера описанием «закона о сохранении постоянства гранных углов» кристаллов. Этот закон в 1669 году сформулировал датский геолог Николай Стенон (Нильс Стенсен), смысл его таков: если взять кристаллы одного и того же вещества разной формы, образовавшиеся при одних и тех же физических условиях (температуре и давлении), — и измерить углы между гранями, то у всех кристаллов они будут одинаковыми. Это означает, что есть некая константа, внутренняя структура, которая присуща самому материалу.

Снег и лёд — это одно и то же вещество (вода), и в каждом кристалле льда, как и в снежинке, образуется шесть лучей, потому что при низкой температуре молекулы воды объединяются в группы по шесть, образуя правильные шестиугольники.

В книге «Микрография, или Некоторые физиологические описания мелких тел, сделанные с помощью увеличительных стёкол» английский ученый Роберт Гук на гравюрах изобразил обитателей микромира, которых разглядел в недавно изобретённый микроскоп. Помимо блох, мух и бузины, под его микроскоп попали и снежные кристаллы.

В главе «Наблюдаемое в фигурном снеге» (Observables in figured snow) Гук писал: «Поднося чёрную ткань навстречу падающему снегу, я часто с большим удовольствием наблюдаю за столь бесконечным разнообразием ажурных снежинок, что было бы невозможно нарисовать фигуру и форму каждой из них так, чтобы точно отразить работу любопытного механизма природы».

Учёного интересовала связь формы кристаллов с их структурой, и он работал над гипотезой о том, что кристаллы выстроены из шарообразных частиц (что перекликается с «шуточной» схемой Кеплера).

В пятом томе «Энциклопедии, или Толкового словаря наук, искусств и ремесел» в разделе физики, наряду с изображениями северного сияния, морских штормов и парового цилиндра голландские натурфилософы посредством литографии изобразили классификацию снежинок.

Но к этому моменту Исаак Ньютон (1643–1727), который, в отличие от Гука, обращал внимание не на форму частиц, а на их закономерное расположение, уже, по мнению советского физика Сергея Вавилова, сформулировал идею кристаллической решётки: «Частицы исландского шпата действуют на лучи все в одном направлении, вызывая необыкновенное преломление. Поэтому нельзя ли предположить, что при образовании этого кристалла, частицы не только установились в строй и ряды, застывая в правильных фигурах, но также посредством некоторой полярной способности повернули свои одинаковые стороны в одинаковом направлении?»

В XIX веке наблюдение за снежинками стало по большей части любительской забавой. В 1837 году в Японии опубликовали энциклопедию Hokuetsu Seppu, которая в переводе 1986 года получила заглавие «Истории снежной страны: Жизнь в другой Японии». Автор «Историй», торговец тканями Бокуси Судзуки, создал двухтомник (второй том вышел в 1841-м) по социально-экономической географии одной японской провинции. Семь глав охватывают широкий спектр (всего 123) тем — от жизненного цикла лосося до местных диалектов и традиционных снежных конкурсов. В книге собраны народные сказки о снеге, особое внимание уделено разными формам снежинок (это проиллюстрировано в таблицах).

Вероятно, вслед за книгой Судзуки был опубликован американский снежный атлас «Облачные кристаллы». Литографии снежинок в нём даны вместе с тематическими сентиментальными стихами. Почему-то в первом издании автор и коллекционер назван обобщённо — женщина (edited by a Lady) — но во втором издании появилась фамилия, миссис Чикеринг. Важным был акцент на «научном» характере работы, что встраивалось в позитивистскую картину мира, господствовавшую в то время.

Верность фразы «двух одинаковых снежинок не бывает» опытным путём доказал американский фотограф-любитель, «человек-снежинка» Уилсон Бентли. Он вырос в снежном штате Вермонт, в семье школьной учительницы. Бентли получал образование дома и всегда имел доступ к энциклопедиям и микроскопу. С помощью последнего он в 15 лет начал наблюдать за снежинками на своей ферме, делая при этом зарисовки.

Бентли был недоволен неточностью иллюстраций, которые у него получались, и когда узнал о существовании фотоаппарата, начал свои эксперименты с ним. В своей домашней лаборатории в амбаре он выстроил установку с микроскопом и создал около пяти тысяч фотографий разных типов снежинок (звёздочки, пластинки, столбики) с описаниями.

В 1931 году, за два года до смерти фотографа, в Америке был опубликован первый снежный фотоатлас, куда вошли 2,5 тысячи изображений. Примерно в то же время русский фотограф из Рыбинска Андрей Сигсон тоже придумал способ, как успеть сфотографировать снежинку. Оказывается, снежные кристаллы надо помещать не прямо на стекло, а на тончайшую сетку из шёлковых ниток, — тогда их можно снять во всех деталях, а сетку потом заретушировать.