Hvad kan en kvantefysiker, geolog og matematiker have til fælles? Selvfølgelig ønsket om at løse universets gåte! Forskere har fundet, at det at observere jordens oceaners opførsel vil hjælpe med at udforske selv de fjerne hjørner af galaksen.
Som vi alle ved, er videnskaben fuld af overraskelser, og nogle gange er der fænomener og begreber, der ved første øjekast ikke har noget fælles at konvergere i. Det ser ud til, hvad er forbindelsen mellem en bestemt type havbølger, der styrer El Niños klimacyklus og kvantematerialer, hvis særpræg er deres evne til at lede strøm kun på overfladen? Fysikere forsikrer os dog om, at begge disse fænomener kan forklares med de samme matematiske principper.
Hvordan kvantefysik påvirker verdens vejr
Brad Marston, fysiker ved Brown University og hovedforfatter af den nye undersøgelse, forsøgte at bevise en meget interessant teori. Efter hans mening kan brugen af topologiske principper forklare både fænomenet, at oceaniske og atmosfæriske bølger ved ækvator falder i en slags "fælde", og det faktum, at kondenseret stoffysik (en enorm gren af fysik, der studerer opførelsen af komplekse systemer og hævder, at evolution systemet som helhed kan ikke "opdeles" i udviklingen af dets individuelle dele) kan være lige så nyttigt både for Jorden og til at forklare fænomener på andre planeter og måner. Enkelt sagt: Hovedmålet med arbejdet er at bevise, at kvantefysikens principper er lige gyldige for vores planet og for andre kosmiske kropper.
Men hvordan kan man bevise en så stor teori? For at gøre dette, samarbejdede Marston med Pierre Delac, en ekspert i fysik i kondenseret stof samt med geofysiker Antoine Venail. Forskere har anvendt teori om kondenseret stof på to typer af tyngdekraftsbølger, kendt som Kelvin- og Yanai-bølger, der rejser gennem havene og luften rundt om jordens ækvator. Disse bølgende forvrængninger, hundreder og tusinder af kilometer lange, transmitterer en energiimpuls øst for ækvator, hvilket i høj grad påvirker El Niño - systemet med udsving i temperaturen i overfladevandet i Stillehavet, som vejrtilstanden og mængden af nedbør afhænger af. Dette sker på grund af samspillet mellem flere fysiske processer. For det første går tyngdekraften i modstand med opdrift,hvilket forårsager afkøling / opvarmning af luft og vand på grund af dråber uafhængigt af hinanden. For det andet skaber Jordens rotation mod øst den såkaldte Coriolis-effekt, der får væsker til at bevæge sig langs jordoverfladen i modsatte retninger afhængigt af halvkuglen.
Fra teori til … teori
Salgsfremmende video:
For at se, hvordan effekterne interagerer med hinanden og danner bølger, fulgte Marston og hans kolleger den samme strategi som Taro Matsuno, en videnskabsmand ved University of Tokyo, der forudsagde en ækvatorial "fælde" for bølger tilbage i 1966. Det er her kvantefysik kommer ind: Forskere forenkler strukturen i et helt hav og fokuserer på et smalt bånd, som Coriolis-effekten forbliver nogenlunde konstant. Men de gør alle deres beregninger ikke for ækvatoriale bølger, men for dem, der er bedre tilgængelige for analyse. Fysikere skifter også til et enklere problem for at demonstrere, at det indeholder et svar på det originale spørgsmål, omend implicit.
Marston og hans kolleger studerer bølger ikke i det almindelige rum, men i det abstrakte rum af alle mulige bølger med forskellige bølgelængder og Coriolis-effekter. Ligningerne for ekstremt lange bølger viser to specielle matematiske punkter, hvor bølgens amplitude varierer meget med dens længde. Disse punkter kaldes "matematiske huller", og der er to af dem, da Jorden har to halvkugler med modsat rettede Coriolis-kræfter. Som et resultat, som forskerne bemærker på siderne af Science-portalen, opfører halvkuglerne sig som to stykker elektrisk isolerende materiale. Ligesom kombination af to elektriske isoleringsmaterialer tillader strøm at strømme langs deres overflade, skaber kombination af to halvkugler bølger ved deres grænse - ækvator, som aftager med stigende breddegrad. Og som i tilfælde af materiale er bølgerne stabile eller,som fysikere siger, "topologisk beskyttet" af funktionerne i det abstrakte rum.
Fremtiden: kvantefysik i hænderne på astronomer
Hvad har astronomi at gøre med det? Ifølge Marston er princippet om disse bølger det samme for enhver roterende planet. Forskere har fundet, at selv hvis det er i form af en doughnut, vil dette ikke ændre situationen. I teorien kan dette system anvendes til andre kosmiske fænomener, for eksempel skiver af støv og gas omkring sorte huller samt på atmosfærerne i Venus og Titan, på hvilke ekvatoriale bølger også blev registreret. Forskere har således et kraftfuldt topologisk værktøj i deres hænder, der giver dem mulighed for at lære om planetenes geofysik længe før en sonde eller en ekspeditionsmission sendes til den.
Vasily Makarov