¿Por que las ramificaciones de los copos de nieve son generalmente uniformes?

La pregunta es muy interesante. Siempre había tenido esa curiosidad yo mismo, y a raíz de tu pregunta he indagado (sobre todo en esta página), y creo que por fin he comprendido el mecanismo.

Como es sabido, la nieve es agua, pero no es agua líquida que se congela (eso sería el granizo), sino vapor de agua que se congela. Es decir, moléculas de agua que estaban "flotando libremente" hasta que topan con otras que están organizadas en la estructura cristalina del hielo y se quedan "pegadas", pasando a formar parte del cristal.

Lo curioso de esto es, como bien preguntas, esa molécula que flotaba libremente y "decide quedarse" en el hielo, no sabe nada de estructuras simétricas hexagonales (que son miles de veces mayores que ella). Entonces ¿cómo decide dónde ponerse? ¿cómo "emerge" esa forma simétrica a medida que las moléculas se van depositando, cada una donde quiere?

Empecemos por lo más sencillo. Un cristal es un patrón molecular que se repite. En el caso del hielo, el patrón es hexagonal. Un cristal de hielo está formado por muchos hexágonos "pegados", como si fueran un panal. Imagina que tienes miles de piezas hexagonales y quieres juntarlas para crear una forma geométrica mayor. Obviamente hay millones de formas de disponer las piezas hexagonales. Una de ellas será a su vez un gran hexágono. Pues bien, esa es la disposición a la que tiende el vapor de agua cuando se congela. La razón es que es más fácil para una molécula de agua añadirse a una zona irregular (intuitivamente, al tener más entrantes y salientes tiene más lugares donde engancharse) que no a una zona "lisa". Las caras irregulares crecen mucho más deprisa que las caras regulares, y eso las va convirtiendo en regulares.

Imagina que juntas varios hexágonos en una figura más o menos redondeada, pero formando un borde irregular, lleno de huecos. Al añadir un hexágono nuevo, debes tender a rellenar esos huecos, antes que a ponerlo en una zona donde hay varios hexágonos "en fila". Si operas así (rellenando huecos), verás que el puzzle que vas formando va tendiendo a la forma hexagonal. Cuando se haya formado un macro-hexágono, una nueva pieza que venga "romperá" esa simetría, pero creará una zona irregular donde se tenderán a concentrar las piezas que vengan después, y así "suavizarán" esa irregularidad volviendo tarde o temprano al hexágono.

Eso es lo que ocurre con los cristales de hielo. Ahora bien, según esta explicación, los cristales de nieve deberían ser un hexágono, y no esas maravillosas formacionas estrelladas.

Obviamente la cosa es más compleja. La formación del cristal, la velocidad a la que crece, etc. depende de factores externos, como son la temperatura, presión humedad, etc. Si ninguna de estas variara, el copo final sería efectivamente un hexágono más o menos perfecto. Pero mientras el hexágono se está formando, todas esas condiciones están variando (el copo se ve arrastrado dentro de la nube, etc.) por lo que las "reglas" de formación del cristal van cambiando. Cuando el cristal es grande, y bajo ciertas condiciones de presión y temperatura, aumentan las probabilidades de que las moléculas se depositen en las esquinas del hexágono. Ya que en todo ese hexágono las condiciones pueden suponerse constantes, cuando esto ocurre hay las mismas probabilidades para cada una de las seis esquinas, por lo que cada una de ellas irá desarrollando un "pico", y se va produciendo por tanto una forma estrellada. Si de pronto las condiciones cambian otra vez, puede que ese pico tienda a bifurcarse (y de nuevo ocurriría para los seis picos, si asumimos que las condiciones de temperatura, presión y humedad son constantes en todo el copo), etc.

Esta figura es muy ilustrativa.

En resumen, la forma del copo obedece a que las condiciones a su alrededor cambian mientras se está formando. Pero cambian en todo el copo a la vez, lo que conduce a la simetría, ya que cada una de las seis ramas tiene una forma que depende del "camino" que en el espacio de condiciones haya seguido esa rama, y las seis siguen el mismo camino por estar sometidas a los mismos cambios de condiciones. Por otro lado, cada copo sigue un "camino" diferente en el espacio de condiciones, lo que causa que no haya dos copos iguales.

Esta explicación es un tanto ideal. En la realidad las condiciones no son tan uniformes en todo el copo, por lo que los copos rara vez son realmente simétricos (aunque vistos "de lejos" puedan parecerlo).