Co může mít společný kvantový fyzik, geolog a matematik? Samozřejmě touha vyřešit hádanku vesmíru! Vědci zjistili, že pozorování chování pozemských oceánů pomůže prozkoumat i vzdálené rohy galaxie.
Jak všichni víme, věda je plná překvapení a někdy se v ní sbližují jevy a koncepty, které na první pohled nemají nic společného. Zdá se, jaké je spojení mezi určitým typem mořských vln, které řídí klimatický cyklus El Niño, a kvantovými materiály, jejichž charakteristickou vlastností je jejich schopnost vést proud pouze na povrchu? Fyzici nás však ujišťují, že oba tyto jevy lze vysvětlit stejnými matematickými principy.
Jak kvantová fyzika ovlivňuje počasí světa
Brad Marston, fyzik na Brown University a hlavní autor nové studie, se pokusil prokázat velmi zajímavou teorii. Podle jeho názoru může použití topologických principů vysvětlit jak jev, že oceánské a atmosférické vlny na rovníku spadají do jakési „pasti“, a skutečnost, že fyzika kondenzované hmoty (obrovské odvětví fyziky, které studuje chování komplexních systémů a tvrdí, že evoluce systém jako celek nelze „rozdělit“na vývoj jeho jednotlivých částí) může být stejně užitečný jak pro Zemi, tak pro vysvětlení jevů na jiných planetách a měsících. Jednoduše řečeno: hlavním cílem práce je prokázat, že principy kvantové fyziky platí stejně pro naši planetu i pro jiná kosmická těla.
Ale jak prokázat tak rozsáhlou teorii? Za tímto účelem se Marston spojil s Pierrem Delacem, odborníkem na fyziku kondenzovaných látek, as geofyzikem Antoine Venailem. Vědci použili teorii kondenzovaných látek na dva typy gravitačních vln, známých jako Kelvinovy a Yanaiové vlny, které cestují mořem a vzduchem kolem zemského rovníku. Tato zvlněná deformace, stovky a tisíce kilometrů dlouhá, přenášejí energetický impuls východně od rovníku, což výrazně ovlivňuje El Niño - systém kolísání teploty povrchových vod Tichého oceánu, na kterém závisí stav počasí a množství srážek. To se děje v důsledku interakce několika fyzických procesů. Zaprvé gravitační síla vstupuje do opozice s vztlakem,což způsobuje chlazení / ohřev vzduchu a vody v důsledku kapiček nezávislých na sobě. Za druhé, rotace Země směrem na východ vytváří tzv. Coriolisův efekt, který způsobuje, že se tekutiny pohybují po zemském povrchu v opačných směrech v závislosti na polokouli.
Od teorie k … teorii
Propagační video:
Marston a jeho kolegové sledovali, jak se efekty vzájemně ovlivňují a vytvářejí vlny, postupovali podle stejné strategie jako Taro Matsuno, vědec z Tokijské univerzity, který v roce 1966 předpovídal rovníkovou „past“pro vlny. Zde přichází kvantová fyzika: Vědci zjednodušují strukturu celého oceánu a zaměřují svou pozornost na úzké pásmo, nad kterým Coriolisův efekt zůstává zhruba konstantní. Všechny své výpočty však neuskutečňují pro rovníkové vlny, ale pro ty, které jsou lépe analyzovatelné. Fyzici také přecházejí na jednodušší problém, aby prokázali, že obsahuje odpověď na původní otázku, i když implicitně.
Marston a jeho kolegové studují vlny ne v obyčejném prostoru, ale v abstraktním prostoru všech možných vln s různými vlnovými délkami a Coriolisovými efekty. Rovnice pro extrémně dlouhé vlny ukazují dva speciální matematické body, kde se amplituda vlny velmi liší s její délkou. Tyto body se nazývají „matematické díry“a existují dvě z nich, protože Země má dvě hemisféry s opačně směřovanými Coriolisovými silami. Výsledkem je, jak vědci poznamenávají na stránkách vědeckého portálu, hemisféry se chovají jako dva kusy elektrického izolačního materiálu. Stejně jako kombinace dvou elektroizolačních materiálů umožňuje proudění proudu podél jejich povrchu, kombinace dvou hemisfér vytváří vlny na jejich hranici - rovník, který se zmenšuje se zvyšující se šířkou. A jako v případě materiálu, vlny jsou stabilní nebojak říkají fyzici, „topologicky chráněné“rysy abstraktního prostoru.
Budoucnost: kvantová fyzika v rukou astronomů
Co s tím má astronomie společného? Podle Marstona je princip těchto vln stejný pro každou rotující planetu. Vědci zjistili, že i když je ve tvaru koblihy, situace to nezmění. Teoreticky lze tento systém aplikovat na další kosmické jevy, například na disky prachu a plynu kolem černých děr, jakož i na atmosféry Venuše a Titanu, na kterých byly zaznamenány rovníkové vlny. Vědci tak mají v rukou mocný topologický nástroj, který jim umožní dozvědět se o geofyzice planety dlouho předtím, než je na ni vyslána sonda nebo expediční mise.
Vasily Makarov