Vad kan en kvantefysiker, geolog och matematiker ha gemensamt? Naturligtvis önskan att lösa universumets gåta! Forskare har funnit att om man observerar beteendet hos jordens hav kommer det att hjälpa till att utforska även de avlägsna hörnen av galaxen.
Som vi alla vet är vetenskapen full av överraskningar, och ibland företeelser och begrepp som vid första anblicken inte har något gemensamt ihop. Det verkar, vad är sambandet mellan en viss typ av havsvågor som styr El Niños klimatcykel och kvantmaterial, vars särdrag är deras förmåga att leda ström endast på ytan? Fysiker försäkrar oss dock att båda dessa fenomen kan förklaras med samma matematiska principer.
Hur kvantfysik påverkar världens väder
Brad Marston, en fysiker vid Brown University och huvudförfattaren till den nya studien, försökte bevisa en mycket intressant teori. Enligt hans åsikt kan användningen av topologiska principer förklara både fenomenet att oceaniska och atmosfäriska vågor vid ekvatorn faller i en slags "fälla" och det faktum att kondenserad materiefysik (en enorm gren av fysik som studerar beteendet hos komplexa system och hävdar att evolution systemet som helhet kan inte "delas upp" i utvecklingen av dess enskilda delar) kan vara lika användbart både för jorden och för att förklara fenomen på andra planeter och månar. Enkelt uttryckt: huvudmålet med arbetet är att bevisa att principerna för kvantfysik är lika giltiga för vår planet och för andra kosmiska kroppar.
Men hur kan man bevisa en sådan storskalig teori? För att göra detta samarbetade Marston med Pierre Delac, en expert på fysik i kondenserad materia, samt med geofysiker Antoine Venail. Forskare har använt teorin för kondenserad materia på två typer av gravitationsvågor, kända som Kelvin- och Yanai-vågor, som reser genom hav och luft runt jordens ekvatorn. Dessa böljande snedvridningar, hundratusentals kilometer långa, överför en energiimpuls öster om ekvatorn, vilket i hög grad påverkar El Niño - systemet med fluktuationer i temperaturen i ytvattnen i Stilla havet, på vilket väderläget och mängden nederbörd beror. Detta händer på grund av interaktion mellan flera fysiska processer. För det första går tyngdkraften i motstånd med flytkraft,vilket orsakar kylning / uppvärmning av luft och vatten på grund av droppar oberoende av varandra. För det andra skapar jordens rotation österut den så kallade Coriolis-effekten, som får vätskor att röra sig över jordens yta i motsatta riktningar beroende på halvklotet.
Från teori till … teori
Kampanjvideo:
För att se hur effekterna interagerar med varandra och bildar vågor, följde Marston och hans kollegor samma strategi som Taro Matsuno, en forskare vid University of Tokyo, som förutspådde en ekvatorial "fälla" för vågorna tillbaka 1966. Det är här kvantfysiken kommer in: Forskare förenklar strukturen för ett helt hav och fokuserar på ett smalt band där Coriolis-effekten förblir ungefär konstant. Men de gör alla sina beräkningar inte för ekvatorialvågor, utan för de som är bättre mottagliga för analys. Fysiker växlar också till ett enklare problem för att visa att det innehåller ett svar på den ursprungliga frågan, om än implicit.
Marston och hans kollegor studerar inte vågor i vanligt utrymme, utan i abstrakt utrymme för alla möjliga vågor med olika våglängder och Coriolis-effekter. Ekvationerna för extremt långa vågor visar två speciella matematiska punkter där vågens amplitud varierar kraftigt med dess längd. Dessa punkter kallas "matematiska hål", och det finns två av dem, eftersom jorden har två halvkuglar med motsatt riktade Coriolis-krafter. Som ett resultat, som forskarna noterar på Science-portalens sidor, uppför sig halvkuglen som två delar av elektriskt isolerande material. Precis som genom att kombinera två elektriska isoleringsmaterial tillåter ström att flöda längs deras yta, genom att kombinera två halvkuglar skapar vågor vid deras gräns - ekvatorn, som minskar med ökande latitud. Och som för material är vågorna stabila eller,som fysiker säger, "topologiskt skyddade" av funktionerna i det abstrakta rymden.
Framtiden: kvantfysik i astronomernas händer
Vad har astronomi att göra med det? Enligt Marston är principen för dessa vågor densamma för alla roterande planeter. Forskare har funnit att även om det är i form av en munk, kommer detta inte att förändra situationen. I teorin kan detta system tillämpas på andra kosmiska fenomen, till exempel skivor av damm och gas runt svarta hål, liksom på atmosfärerna i Venus och Titan, på vilka ekvatorialvågor också registrerades. Således har forskare ett kraftfullt topologiskt verktyg i sina händer som gör det möjligt för dem att lära sig om geofysiken på planeten långt innan en sond eller ett expeditionsuppdrag skickas till den.
Vasily Makarov
