Čo môže mať spoločný kvantový fyzik, geológ a matematik? Túžba vyriešiť hádanku vesmíru samozrejme! Vedci zistili, že pozorovanie správania sa zemských oceánov pomôže preskúmať aj vzdialené kúty galaxie.
Ako všetci vieme, veda je plná prekvapení a niekedy sa do nej zbližujú fenomény a koncepty, ktoré na prvý pohľad nemajú nič spoločné. Zdalo by sa, aké je spojenie medzi určitým typom morských vĺn, ktoré riadi klimatický cyklus El Niño, a kvantovými materiálmi, ktorých charakteristickou črtou je ich schopnosť viesť prúd iba na povrchu? Fyzici nás však ubezpečujú, že oba tieto javy je možné vysvetliť rovnakými matematickými princípmi.
Ako kvantová fyzika ovplyvňuje počasie vo svete
Brad Marston, fyzik na Brownovej univerzite a hlavný autor novej štúdie, sa pokúsil dokázať veľmi zaujímavú teóriu. Podľa jeho názoru použitie topologických princípov môže vysvetliť tak jav, že oceánske a atmosférické vlny na rovníku spadajú do akejsi „pasce“, a skutočnosť, že fyzika kondenzovanej hmoty (obrovské odvetvie fyziky, ktoré študuje správanie komplexných systémov a tvrdí, že evolúcia) systém ako celok sa nedá „rozdeliť“na vývoj jeho jednotlivých častí) môže byť rovnako užitočný pre Zem, ako aj pre vysvetlenie javov na iných planétach a mesiacoch. Jednoducho povedané: hlavným cieľom práce je dokázať, že princípy kvantovej fyziky platia rovnako pre našu planétu, ako aj pre ďalšie kozmické telá.
Ale ako dokázať takú rozsiahlu teóriu? Za týmto účelom sa Marston spojil s Pierrom Delacom, odborníkom na fyziku kondenzovaných látok, ako aj s geofyzikom Antoine Venail. Vedci aplikovali teóriu kondenzovanej hmoty na dva typy gravitačných vĺn, známych ako Kelvinove a Yanaiové vlny, ktoré cestujú morom a vzduchom okolo zemského rovníka. Tieto zvlnené deformácie dlhé stovky a tisíce kilometrov prenášajú energetický impulz východne od rovníka, ktorý výrazne ovplyvňuje El Niño, systém kolísania teploty povrchových vôd Tichého oceánu, od ktorého závisí stav počasia a množstvo zrážok. To sa deje v dôsledku interakcie niekoľkých fyzikálnych procesov. Po prvé, gravitačná sila vstúpi do opozície vztlakom,čo spôsobuje ochladenie / ohrev vzduchu a vody v dôsledku kvapôčok navzájom nezávislých. Po druhé, rotácia Zeme smerom na východ vytvára tzv. Coriolisov jav, ktorý spôsobuje pohyby tekutín pozdĺž zemského povrchu v opačných smeroch v závislosti od pologule.
Od teórie k … teórii
Propagačné video:
Aby sa zistilo, ako efekty vzájomne pôsobia a vytvárajú vlny, Marston a jeho kolegovia postupovali podľa rovnakej stratégie ako Taro Matsuno, vedec z Tokijskej univerzity, ktorý v roku 1966 predpovedal rovníkovú „pascu“na vlny. Tu prichádza kvantová fyzika: Vedci zjednodušujú štruktúru celého oceánu a zameriavajú sa na úzke pásmo, kde Coriolisov efekt zostáva zhruba konštantný. Robia však všetky svoje výpočty nie pre rovníkové vlny, ale pre tie, ktoré je lepšie analyzovať. Fyzici tiež prechádzajú na jednoduchší problém, aby dokázali, že obsahujú odpoveď na pôvodnú otázku, hoci implicitne.
Marston a jeho kolegovia neštudujú vlny v bežnom priestore, ale v abstraktnom priestore všetkých možných vĺn s rôznymi vlnovými dĺžkami a Coriolisovými efektmi. Rovnice pre extrémne dlhé vlny ukazujú dva špeciálne matematické body, kde sa amplitúda vlny veľmi líši s jej dĺžkou. Tieto body sa nazývajú „matematické diery“a existujú dve z nich, pretože Zem má dve hemisféry s opačne nasmerovanými Coriolisovými silami. Výsledkom je, ako si vedci všimnú na stránkach vedeckého portálu, hemisféry sa správajú ako dva kusy elektroizolačného materiálu. Rovnako ako kombinácia dvoch elektrických izolačných materiálov umožňuje prúdeniu prúdu pozdĺž ich povrchu, kombinácia dvoch hemisfér vytvára vlny na ich rovníkovej hranici, ktorá sa znižuje so zvyšujúcou sa šírkou. A ako v prípade materiálu, vlny sú stabilné aleboako hovoria fyzici, „topologicky chránení“prvkami abstraktného priestoru.
Budúcnosť: kvantová fyzika v rukách astronómov
Čo s tým má astronómia spoločné? Podľa Marstona je princíp týchto vĺn rovnaký pre každú rotujúcu planétu. Vedci zistili, že aj keď má tvar šišky, situácia sa nezmení. Teoreticky sa tento systém dá aplikovať na ďalšie kozmické javy, napríklad na prachové a plynové disky okolo čiernych dier, ako aj na atmosféru Venuše a Titanu, na ktorých boli zaznamenané rovníkové vlny. Vedci tak majú vo svojich rukách silný topologický nástroj, ktorý im umožní dozvedieť sa o geofyzike planéty dlho predtým, ako je na ňu vyslaná sonda alebo expedičná misia.
Vasily Makarov