Как квантовая физика помогает изучать далекие планеты: неожиданные открытия
Что может объединить специалиста по квантовой физике, геолога и математика? Конечно, стремление разгадать загадку Вселенной! Ученые выяснили, что наблюдение за поведением океанов Земли поможет исследовать даже отдаленные уголки галактики.
Как все мы знаем, наука полна сюрпризов, и порой в ней сходятся явления и понятия, которые на первый взгляд не имеют ничего общего. Казалось бы, какая связь между определенным типом океанических волн, управляющим климатическим циклом Эль-Ниньо, и квантовыми материалами, отличительная особенность которых заключается в их способности проводить ток только поверхностной частью? Физики, тем не менее, уверяют нас, что оба этих явления можно объяснить одними и теми же математическими принципами.
Как квантовая физика влияет на погоду в мире
Брэд Марстон, физик из Университета Брауна, и главный автор нового исследования, попытался доказать весьма интересную теорию. По его мнению, использование топологических принципов может объяснить как феномен того, что океанические и атмосферные волны на экваторе попадают в своего рода «ловушку», так и то, что
Но как доказать такую масштабную теорию? Для этого Марстон объединился с Пьером Делэком, специалистом в области физики конденсированного состояния, а также с геофизиком Антуаном Венайлом. Ученые применили теорию конденсированного состояния к двум типам гравитационных волн, известных как волны Кельвина и Янаи, которые распространяются по морям и воздуху около экватора Земли. Эти волнообразные искажения протяженностью в сотни и тысячи километров передают энергетический импульс восточнее экватора, что в значительной степени влияет на
От теории к… теории
Чтобы увидеть, как эффекты взаимодействуют друг с другом и формируют волны, Марстон и его коллеги следовали той же стратегии, что и Таро Мацуно, ученый Токийского университета, который еще в 1966 году предсказал экваториальную «ловушку» для волн. Вот здесь в дело и вступает квантовая физика: ученые упрощают структуру целого океана и сосредотачивают свое внимание на узкой полосе, на протяжении которой эффект Кориолиса остается примерно постоянным. Но все расчеты они ведут не для экваториальных волн, а для тех, которые лучше поддаются анализу. Физики также переключаются на более простую задачу, чтобы продемонстрировать, что она содержит ответ на оригинальный вопрос, пускай и неявно.
Марстон и его коллеги изучают волны не в обычном пространстве, а в абстрактном пространстве всех возможных волн с разными длинами волн и эффектами Кориолиса. Уравнения для чрезвычайно длинных волн показывают две особые математические точки, где амплитуда волны сильно изменяется с ее длиной. Эти точки называются «математическими дырами», и их две, поскольку у Земли два полушария с противоположно направленными силами Кориолиса. В результате, как отмечают исследователи на страницах портала
Будущее: квантовая физика в руках астрономов
При чем же тут астрономия? По словам Марстона, принцип действия этих волн одинаков для любой вращающейся планете. Ученые установили, что даже если та будет в форме пончика, ситуацию это не изменит. Эту систему в теории можно применить и к другим космическим явлениям, к примеру дискам из пыли и газа вокруг черных дыр, а также к атмосферам Венеры и Титана, на которых тоже были зафиксированы экваториальные волны. Таким образом, в руках у ученых оказывается мощный топологический инструмент, который позволит узнать о геофизике планеты задолго до того, как на нее отправят зонд или экспедиционную миссию.