Deux flocons de neige peuvent-ils être parfaitement identiques ?

L’affirmation selon laquelle il n’existe pas deux flocons de neige identiques est largement répandue. Pourtant, il peut arriver que d’apparence, deux flocons paraissent similaires, y compris au microscope. Toutefois, la question est bien plus complexe qu’il n’y paraît. Car pour cela, la science exige de deux flocons bien plus que leur simple apparence pour les considérer comme identiques. Alors, deux flocons de neige peuvent-ils être parfaitement identiques ?

La structure interne d’un flocon de neige est constituée de molécules d’eau qui se lient pour former une configuration solide particulière. La plupart de ces configurations ont une symétrie hexagonale. Cela est dû à la manière dont les molécules d’eau, avec leurs angles de liaison particuliers — définis par la physique d’un atome d’oxygène, de deux atomes d’hydrogène et la force électromagnétique — peuvent se lier ensemble.

Le flocon de neige microscopique le plus simple que l’on puisse observer au microscope mesure environ un millionième de mètre (1 µm) et peut prendre une forme très simpliste, comme un cristal plat hexagonal. Une telle configuration ne nécessite environ que 10’000 atomes, et beaucoup sont ainsi similaires.

Selon le Guinness Book des records, Nancy Knight, scientifique au Centre national américain de recherche sur l’atmosphère (NCAR), a découvert par hasard deux exemples identiques de flocons de neige, alors qu’elle étudiait, à l’aide d’un microscope, les cristaux de neige d’une tempête dans le Wisconsin en 1988.

Une structure cristalline hautement complexe à l’échelle microscopique

Mais lorsque le Guinness certifie deux flocons de neige identiques, ils n’ont de repères que la seule précision du microscope. Cependant, en physique, deux structures identiques doivent également, et surtout, l’être au niveau moléculaire, atomique et même subatomique. Cela implique donc des particules identiques, dans une configuration identique, avec les mêmes liaisons et angles de liaison entre elles, au sein de deux systèmes macroscopiques fondamentalement différents l’un de l’autre.

Une molécule d’eau est constituée d’un atome d’oxygène et de deux atomes d’hydrogène liés ensemble. Lorsque des molécules d’eau gelées se lient, chaque molécule obtient quatre autres molécules d’eau liées à proximité : une au niveau de chaque sommet tétraédrique, centré sur chaque molécule individuelle. Une telle configuration entraîne la formation d’une structure en réseau : un réseau cristallin hexagonal.

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Au-delà des configurations cristallines les plus petites, les plans au-dessus et en dessous de ce réseau sont tassés et liés ; des faces planes apparaissent sur deux des côtés.

À l’opposé, les autres côtés ont leurs molécules beaucoup plus exposées, et la façon dont les molécules d’eau additionnelles leur sont liées, est beaucoup plus arbitraire. En particulier, les coins hexagonaux ont les liaisons les plus faibles, et c’est pourquoi il semble exister une symétrie sextuple dans la croissance des cristaux hexagonaux.

Les nouvelles structures qui apparaissent sur celle pré-existante se développent alors selon ce même motif symétrique, donnant lieu à de nouvelles asymétries hexagonales une fois une certaine taille atteinte. Les flocons de neige volumineux et complexes présentent des centaines de caractéristiques, facilement discernables lorsqu’elles sont examinées au microscope ; un flocon de neige typique étant composé d’environ 10¹⁹ molécules d’eau selon Charles Knight, chercheur au NCAR.

Flocons de neige parfaitement identiques : la nécessité d’une structure moléculaire, atomique et subatomique également identique

Pour chacune de ces caractéristiques structurelles, des millions de configurations possibles peuvent évoluer à partir des branches. Chaque année dans le monde, environ 10¹³ m³ de neige tombent à la surface de la Terre, chaque m³ contenant environ quelques milliards de flocons de neige. Comme la Terre a environ 4.5 milliards d’années, environ 10³⁴ flocons de neige sont tombés dans l’histoire de la planète bleue.

Quel est le nombre maximum de ramifications individuelles, uniques et symétriques qu’un flocon de neige peut avoir pour statistiquement espérer obtenir un autre flocon de neige identique ? Seulement cinq. Alors qu’ordinairement, un flocon de neige comporte typiquement des centaines de ramifications structurelles.

Ce n’est qu’en considérant les flocons de neige les plus petits, au stade le plus précoce, qu’il devient réellement possible d’en obtenir deux identiques. Et au niveau moléculaire, la situation s’aggrave encore plus. Normalement, l’oxygène possède 8 protons et 8 neutrons, tandis que l’hydrogène a un proton et aucun neutron. Cependant, environ 1 atome d’oxygène sur 500 possède 10 neutrons à la place, tandis que 1 atome d’hydrogène sur 5000 en contient 1 au lieu de 0.

Avec ces données, même en disposant d’un cristal initial parfaitement hexagonal et qu’environ 10³⁴ flocons de neige étaient produits au cours de l’histoire de la planète Terre, cela ne nécessiterait que quelques milliers de molécules (une diamètre de 0.01 microns) pour aboutir à une structure totalement unique jamais créé sur la Terre auparavant. En d’autres termes, au niveau moléculaire, il suffit d’un petit agencement pour obtenir des structures uniques, rendant encore plus vaine la recherche de deux flocons identiques.

Des flocons de neige artificiels d’apparence identique

En renonçant aux échelles atomique et moléculaire, et à l’origine naturelle des flocons, il devient alors possible d’en obtenir deux identiques. Le physicien atmosphérique Kenneth Libbrecht du Caltech, a mis au point une technique permettant de créer des flocons de neige artificiels « jumeaux » et de les photographier à l’aide d’un microscope spécial qu’il surnomme le SnowMaster 9000. En les faisant croître simultanément dans des conditions spécifiques, Libbrecht a montré qu’il était possible d’obtenir deux flocons indistinguables.

En tout cas, à l’observation au microscope. Car comme de véritables jumeaux, s’ils se ressemblent d’apparence, plusieurs différences internes existent néanmoins : les sites de liaison moléculaire sont différents, les propriétés des ramifications divergent, les angles de liaison ont des valeurs différentes. Et plus ils grossissent, plus ces différences s’accentuent. C’est pourquoi ces flocons sont maintenus dans une structure très peu complexe.

Ainsi, si deux flocons de neige peuvent se ressembler, ils ne sont identiques que d’apparence. La complexité atteinte au niveau atomique et moléculaire est telle qu’il est virtuellement impossible d’obtenir deux configurations parfaitement identiques. Pour s’en rendre compte, il suffit de calculer le nombre de planètes identiques à la Terre qu’il faudrait pour espérer obtenir deux flocons parfaitement identiques au cours des 13.8 milliards d’années d’existence de l’Univers : environ 10^{10’000’000’000’000’000’000}. Considérant qu’il n’existe que 10⁸⁰ atomes dans l’Univers observable, les probabilités sont plus que minces. Donc, jusqu’à preuve du contraire, chaque flocon est bien unique.