Co wspólnego może mieć fizyk kwantowy, geolog i matematyk? Oczywiście chęć rozwiązania zagadki wszechświata! Naukowcy odkryli, że obserwacja zachowania oceanów Ziemi pomoże zbadać nawet odległe zakątki galaktyki.
Jak wszyscy wiemy, nauka jest pełna niespodzianek, a czasem zbiegają się w niej zjawiska i koncepcje, które na pierwszy rzut oka nie mają ze sobą nic wspólnego. Wydawałoby się, jaki jest związek między pewnym typem fal oceanicznych, które rządzą cyklem klimatycznym El Niño, a materiałami kwantowymi, których charakterystyczną cechą jest zdolność przewodzenia prądu tylko na powierzchni? Fizycy jednak zapewniają nas, że oba te zjawiska można wytłumaczyć tymi samymi zasadami matematycznymi.
Jak fizyka kwantowa wpływa na pogodę na świecie
Brad Marston, fizyk z Brown University i główny autor nowych badań, próbował udowodnić bardzo interesującą teorię. Jego zdaniem użycie zasad topologicznych może wyjaśnić zarówno zjawisko polegające na tym, że fale oceaniczne i atmosferyczne na równiku wpadają w swego rodzaju „pułapkę”, jak i fakt, że fizyka materii skondensowanej (ogromna gałąź fizyki, która bada zachowanie układów złożonych i twierdzi, że ewolucja system jako całość nie może być „podzielony” na ewolucję jego poszczególnych części) może być równie przydatny zarówno dla Ziemi, jak i do wyjaśniania zjawisk na innych planetach i księżycach. Mówiąc prościej: głównym celem pracy jest udowodnienie, że zasady fizyki kwantowej są równie ważne dla naszej planety, jak i dla innych ciał kosmicznych.
Ale jak udowodnić tak wielką teorię? W tym celu Marston nawiązał współpracę z Pierrem Delacem, ekspertem w dziedzinie fizyki materii skondensowanej, a także z geofizykiem Antoine Venailem. Naukowcy zastosowali teorię materii skondensowanej do dwóch typów fal grawitacyjnych, znanych jako fale Kelvina i Yanai, które przemieszczają się przez morza i powietrze wokół równika Ziemi. Te falujące zniekształcenia, długie na setki i tysiące kilometrów, przenoszą impuls energetyczny na wschód od równika, który w znacznym stopniu wpływa na El Niño - system wahań temperatury wód powierzchniowych Oceanu Spokojnego, od którego zależy stan pogody i ilość opadów. Dzieje się tak z powodu interakcji kilku procesów fizycznych. Po pierwsze, siła grawitacji wchodzi w przeciwstawienie wraz z wyporem,co powoduje chłodzenie / ogrzewanie powietrza i wody przez niezależne od siebie kropelki. Po drugie, rotacja Ziemi w kierunku wschodnim tworzy tak zwany efekt Coriolisa, który powoduje, że płyny przemieszczają się po powierzchni Ziemi w przeciwnych kierunkach w zależności od półkuli.
Od teorii do … teorii
Film promocyjny:
Aby zobaczyć, jak efekty oddziałują na siebie i tworzą fale, Marston i jego koledzy zastosowali tę samą strategię, co Taro Matsuno, naukowiec z Uniwersytetu Tokijskiego, który przewidział równikową „pułapkę” na fale w 1966 roku. W tym miejscu pojawia się fizyka kwantowa: naukowcy upraszczają strukturę całego oceanu i koncentrują się na wąskim paśmie, w którym efekt Coriolisa pozostaje mniej więcej stały. Ale wszystkie obliczenia wykonują nie dla fal równikowych, ale dla tych, które są bardziej podatne na analizę. Fizycy również przechodzą do prostszego problemu, aby wykazać, że zawiera on odpowiedź na pierwotne pytanie, aczkolwiek niejawnie.
Marston i jego koledzy badają fale nie w zwykłej przestrzeni, ale w abstrakcyjnej przestrzeni wszystkich możliwych fal o różnych długościach i efektach Coriolisa. Równania dla ekstremalnie długich fal pokazują dwa specjalne punkty matematyczne, w których amplituda fali zmienia się znacznie wraz z jej długością. Punkty te nazywane są „dziurami matematycznymi”, a są ich dwa, ponieważ Ziemia ma dwie półkule z przeciwnie skierowanymi siłami Coriolisa. W rezultacie, jak zauważają naukowcy na stronach portalu Science, półkule zachowują się jak dwa kawałki materiału elektroizolacyjnego. Tak jak połączenie dwóch materiałów elektroizolacyjnych umożliwia przepływ prądu wzdłuż ich powierzchni, tak połączenie dwóch półkul tworzy fale na ich granicy - równiku, który zmniejsza się wraz ze wzrostem szerokości geograficznej. I podobnie jak w przypadku materiału fale są stabilne lubjak mówią fizycy, „chronione topologicznie” przez cechy abstrakcyjnej przestrzeni.
Przyszłość: fizyka kwantowa w rękach astronomów
Co ma z tym wspólnego astronomia? Według Marstona zasada działania tych fal jest taka sama dla każdej obracającej się planety. Naukowcy odkryli, że nawet jeśli ma kształt pączka, nie zmieni to sytuacji. Teoretycznie system ten można zastosować do innych zjawisk kosmicznych, na przykład dysków pyłu i gazu wokół czarnych dziur, a także do atmosfer Wenus i Tytana, na których również zarejestrowano fale równikowe. W ten sposób naukowcy mają w rękach potężne narzędzie topologiczne, które pozwoli im poznać geofizykę planety na długo przed wysłaniem do niej sondy lub ekspedycji.
Wasilij Makarow