Kaj ima lahko kvantni fizik, geolog in matematik skupnega? Seveda želja, da bi rešili uganko vesolja! Znanstveniki so ugotovili, da bo opazovanje vedenja Zemljinih oceanov pomagalo raziskati tudi oddaljene kotičke galaksije.
Kot vsi vemo, je znanost polna presenečenj in včasih se pojavijo pojavi in pojmi, ki na prvi pogled nimajo nič skupnega. Videti je, kakšna je povezava med določeno vrsto oceanskih valov, ki upravlja s klimatskim ciklom El Niño, in kvantnimi materiali, katerih značilnost je zmožnost prenašanja toka samo na površini? Fiziki pa nam zagotavljajo, da je mogoče oba pojava razložiti po istih matematičnih načelih.
Kako kvantna fizika vpliva na svetovno vreme
Brad Marston, fizik z univerze Brown in glavni avtor nove študije, je skušal dokazati zelo zanimivo teorijo. Uporaba topoloških načel lahko po njegovem mnenju razloži tako pojav, da oceanski in atmosferski valovi na ekvatorju padejo v nekakšno "past", kot tudi dejstvo, da je fizika kondenzirane snovi (ogromna veja fizike, ki proučuje obnašanje zapletenih sistemov in trdi, da je evolucija sistema kot celote ni mogoče "razdeliti" v evolucijo njegovih posameznih delov) je lahko enako uporaben tako za Zemljo kot za razlago pojavov na drugih planetih in lunah. Preprosto povedano: glavni cilj dela je dokazati, da so načela kvantne fizike enako veljavna za naš planet in za druga vesoljska telesa.
Toda kako dokazati tako obsežno teorijo? Da bi to naredil, se je Marston združil s Pierrom Delakom, strokovnjakom za fiziko kondenziranih snovi, ter z geofizikom Antoinom Venalom. Znanstveniki so uporabili teorijo kondenzirane snovi na dveh vrstah gravitacijskih valov, znanih kot valovi Kelvin in Yanai, ki potujeta skozi morja in zrak okoli zemeljskega ekvatorja. Ta valovita izkrivljanja, dolga sto in tisoč kilometrov, oddajajo energijski impulz vzhodno od ekvatorja, ki močno vpliva na El Niño, sistem nihanj temperature površinskih voda Tihega oceana, od katerega je odvisno stanje vremena in količina padavin. To se zgodi zaradi interakcije več fizičnih procesov. Prvič, sila gravitacije stopi v nasprotje z vzgonom,kar povzroča hlajenje / segrevanje zraka in vode zaradi kapljic, neodvisnih druga od druge. Drugič, vrtenje Zemlje proti vzhodu ustvarja tako imenovani Coriolisov učinek, zaradi katerega se tekočine gibljejo po Zemljini površini v nasprotnih smereh, odvisno od poloble.
Od teorije do … teorije
Promocijski video:
Da bi videli, kako učinki medsebojno vplivajo in oblikujejo valove, sta Marston in njegovi sodelavci sledila isti strategiji kot Taro Matsuno, znanstvenik iz tokijske univerze, ki je leta 1966 napovedal ekvatorialno valovanje. Tukaj prihaja kvantna fizika: Znanstveniki poenostavijo strukturo celotnega oceana in se osredotočijo na ozek pas, kjer Coriolisov učinek ostane približno stalen. Vendar vse svoje izračune ne izvajajo za ekvatorialne valove, temveč za tiste, ki so bolje podvrženi analizi. Fiziki preidejo tudi na enostavnejšo težavo in tako dokažejo, da vsebuje odgovor na izvirno vprašanje, čeprav implicitno.
Marston in njegovi sodelavci preučujejo valove ne v običajnem prostoru, temveč v abstraktnem prostoru vseh možnih valov z različnimi valovnimi dolžinami in Coriolisovimi učinki. Enačbe za izjemno dolge valove prikazujejo dve posebni matematični točki, kjer se amplituda vala močno razlikuje glede na njegovo dolžino. Te točke imenujemo "matematične luknje" in obstajata dve, saj ima Zemlja dve polobli z nasprotno usmerjenimi Coriolisovimi silami. Kot rezultat, kot ugotavljajo raziskovalci na straneh portala Science, se hemisfere obnašajo kot dva kosa električnega izolacijskega materiala. Tako kot kombiniranje dveh električnih izolacijskih materialov omogoča, da tok teče po njihovi površini, tako kombiniranje dveh polobli ustvarja valove na njihovi meji - ekvatorju, ki se z naraščajočo širino zmanjšuje. In tako kot pri materialu so valovi stabilni oz.kot pravijo fiziki, "topološko zaščiten" z značilnostmi abstraktnega prostora.
Prihodnost: kvantna fizika v rokah astronomov
Kakšne veze ima astronomija s tem? Po Marstonovem mnenju je načelo teh valov enako za kateri koli vrtljivi planet. Znanstveniki so ugotovili, da tudi če je v obliki krofa, to ne bo spremenilo stanja. Teoretično lahko ta sistem uporabimo za druge kozmične pojave, na primer diske prahu in plina okoli črnih lukenj, pa tudi za atmosfere Venere in Titana, na katerih so bili zajeti tudi ekvatorialni valovi. Tako imajo znanstveniki v rokah močno topološko orodje, ki jim bo omogočilo, da spoznajo geofiziko planeta že dolgo, preden se vanj pošlje sonda ali misija odprave.
Vasilij Makarov